[論文レビュー] BEC dark matter can explain collisions of galaxy clusters

Jae-Weon Lee, Sooil Lim+1 more|ArXiv.org|May 25, 2008

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、自己相互作用を有するスカラー場としてモデル化されたボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）ダークマターが、衝突する銀河団におけるダークマターの対照的な挙動——バレットクラスターではソリトン的通過、アベル520では合体——を、初期運動エネルギーに依存して説明するモデルを提案する。このモデルは、高速衝突では衝突なきソリトン的通過が生じ、低速衝突では反発的自己相互作用によりハローが合体することを予測し、長年のダークマター観測における矛盾を解消するとともに、ダークマターを伴わない銀河やダークマATTER銀河の起源を説明する。

ABSTRACT

We suggest that the dark matter model based on Bose Einstein condensate or scalar field can resolve the apparently contradictory behaviors of dark matter in the Abell 520 and the Bullet cluster. During a collision of two galaxies in the cluster, if initial kinetic energy of the galaxies is large enough, two dark matter halos pass each other in a soliton-like way as observed in the Bullet cluster. If not, the halos merge due to the tiny repulsive interaction among dark matter particles as observed in the Abell 520. This idea can also explain the origin of the dark galaxy and the galaxy without dark matter.

研究の動機と目的

• バレットクラスター（衝突なし）とアベル520（衝突あり）で観測されたダークマター行動の矛盾を解消すること。
• 標準的なCDMモデルでは未解決のままだった、ダークマターを伴わない銀河やダークマター銀河の起源を説明すること。
• BEC/超流動ダークマターモデルが、銀河団衝突におけるソリトン的および合体的ダイナミクスを自然に説明できることを示すこと。
• クラスタースケールの力学と銀河スケールのダークマター構造を結びつける統一的枠組みを提供すること。

提案手法

• 反発的相互作用を有する自己相互作用複素スカラー場としてダークマターをモデル化し、四次ポテンシャル $ U(\phi) = \frac{m^2}{2}|\phi|^2 + \frac{\lambda}{4}|\phi|^4 $ を用いる。
• 作用 $ S = \int \sqrt{-g} d^4x \left[ \frac{-R}{16\pi G} - \frac{1}{2} g^{\mu\nu} \phi^*_{;\mu} \phi_{;\nu} - U(\phi) \right] $ から導かれる非線形シュレーディンガー方程式を用いて、ダークマターハローをボソン星として記述する。
• 次元なし方程式を用いてBECダークマター・ハローの2体衝突を分析：$ \nabla^2 V = \sigma^2 + \frac{\Lambda \sigma^4}{4} $、$ \nabla^2 \sigma = 2V\sigma $、ここで $ \Lambda = \lambda M_P^2 / (4\pi m^2) $。
• 全エネルギーに基づいて衝突結果を分類：$ E = K + W + I > 0 $ はソリトン的通過（高速）、$ E < 0 $ は合体（低速）。
• 各銀河ハローをボソン星として扱い、クラスターモデルを構築する。星や高温ガスは受動的成分として扱う。
• バレットクラスター（約4700 km/s）およびアベル520（約1000 km/s）の観測データ——X線温度と推定速度——を用いて、速度依存の力学的二重性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BECダークマターモデルは、バレットクラスターにおける衝突なしのダークマターとアベル520における衝突的挙動の間にある顕著な矛盾を説明できるか？
• RQ2 自己相互作用の強さと初期運動エネルギーが、銀河団衝突時にダークマター・ハローが互いを通過するか合体するかをどのように決定するか？
• RQ3 ダークマター銀河およびダークマターを伴わない銀河の起源は何か？ それらはBECダークマターのダイナミクスから自然に生じるか？
• RQ4 観測された銀河団衝突速度を用いて、超軽量ダークマター粒子の質量と自己結合定数を制約できるか？
• RQ5 BECモデルは、標準的な $\Lambda$CDMモデルのコア・カスプ問題と小構造問題を解消しつつ、クラスタースケールの観測と整合性を保っているか？

主な発見

• BECダークマター・モデルは、バレットクラスターのソリトン的ダークマター通過を、全エネルギー $ E > 0 $ である高速衝突として説明でき、ハローが互いに合体せずに通過できることを示している。
• アベル520では、低速衝突（$ \sim 1000 $ km/s）により $ E < 0 $ となり、重力的吸引および反発的自己相互作用のためハローが合体する。これは観測と整合的である。
• モデルは、星が衝突なしに運動するため、ダークマター・ハローが合体しても、星がポテンシャル井戸から脱出可能であり、ダークマターを伴わない銀河の形成を予測する。
• 低速合体の中心残渣は、VIRGOHI21のようなダークマター銀河を形成でき、このような物体の起源を説明できる。
• バレットクラスター（約4700 km/s）とアベル520（約1000 km/s）の観測された速度差は、モデルの速度依存の力学的二重性を支持する。
• モデルは、クラスタ衝突データを用いてダークマター粒子の質量 $ m \sim 10^{-24} $ eV および自己結合定数 $ \lambda $ を制約するメカニズムを提供する。