[論文レビュー] Comparing rotation curve observations to hydrodynamic {\Lambda}CDM simulations of galaxies

Andrew B. Pace|arXiv (Cornell University)|May 17, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、Di Cintioら（2014b）が提唱したバリオン駆動型ハロー応答モデルを、大規模な観測銀河回転曲線のサンプルを用いて検証する。このモデルは、M⋆/Mhaloを介してダークマター・ハロー構造と星の質量を結びつける。モデルは広い質量範囲にわたりコア型回転曲線をうまく説明するが、宇宙論的スケーリング関係には一致しない—ハローの濃度-Mhaloの傾向が一貫せず、散らばりが著しく大きい。これは、バリオンのフィードバックのモデル化が不完全であるか、ダークマターの物理が標準的でない可能性を示唆する。

ABSTRACT

The formation of the disk and feedback from supernova winds impacts the distribution of dark matter in galaxies. Recently, Di Cintio et al. (2014b) characterized the halo response from baryonic processes in hydrodynamical simulations via a dependence on the ratio of stellar-to-halo mass ($M_{\star}/M_{{ m halo}}$). The (stellar) mass dependent halo profile links together the local and global properties of the halo (e.g. inner slope and $M_{{ m halo}}$) which allows for measurements of $M_{{ m halo}}$ without virial tracers. We compile a large sample of rotation curves from the literature to test this halo profile. We find that this halo profile can explain rotation curve observations over a wide range of $M_{\star}$. However, the global results from our sample are inconsistent with a $\Lambda$ cold dark matter universe. We do not find the expected correlation between the halo concentration and $M_{{ m halo}}$ and there is significantly larger scatter than expected. Furthermore, a large portion of galaxies below $M_{\star} \sim 10^{9}\,M_{\odot}$ are found to be hosted by smaller halos than expectations from the abundance matching technique. We find our results are robust to statistical priors and systematic effects such as inclination angle, asymmetric drift correction, data source, and uncertainties in stellar mass-to-light ratios. This suggests either a mischaracterization of the halo response due to baryonic processes or additional non-standard dark matter physics.

研究の動機と目的

• 流体シミュレーションから得られるM⋆/Mhalo依存のハロー密度分布が、観測された銀河回転曲線を広い質量範囲にわたり説明できるかどうかを検証すること。
• このハロー応答モデルが、M⋆−Mhaloおよびcvir−Mhaloといった宇宙論的スケーリング関係を同時に満たしているかどうかを評価すること。
• 観測されたハロー特性の不一致が、不完全なバリオン物理学に起因するのか、それとも新しいダークマター物理学の必要性を示唆するのかを調査すること。
• 傾き、非対称性ドリフト、星の質量光度比の不確実性といった系統的誤差に対するモデルの頑健性を評価すること。

提案手法

• 複数の観測チームのデータを含む、多様で大規模な回転曲線のサンプルを文献から収集した。
• Di Cintioら（2014b）のハロー密度分布を用い、星の質量とハロー質量比（M⋆/Mhalo）に依存する形でバリオンのフィードバック効果をモデル化した。
• 非情報的事前分布を用いたベイズ推論により、ハローのパラメータ（例：Mhalo、濃度）を推定し、統計的頑健性を評価した。
• 事前分布を系統的に変化させ、傾き補正、非対称性ドリフト補正、星の質量光度比の不確実性への対処を施し、感度を評価した。
• 推定されたハロー特性（Mhalo、cvir）を、アバンドンマッチングとΛCDMのスケーリング関係の予測と比較した。
• ΛCDMの期待値と比較して、観測されたハロー濃度とMhalo−cvir関係の散らばりの整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体シミュレーションから得られるM⋆/Mhalo依存のハロー密度分布は、広い質量範囲にわたる観測された銀河回転曲線を説明できるか？
• RQ2 回転曲線フィッティングから得られるハロー特性（Mhalo、濃度）は、ΛCDMが予測する宇宙論的スケーリング関係と整合するか？
• RQ3 観測されたハロー濃度とMhaloの散らばりは、ΛCDMの期待値と一致しているか、それとも顕著に大きいのか？
• RQ4 傾き、非対称性ドリフト、星の質量光度比の不確実性といった系統的誤差に対して、その不一致は頑健か？
• RQ5 回転曲線のフィッティングと宇宙論的関係の不一致は、バリオンフィードバックのモデル化が不完全であるか、非標準的ダークマター物理学の必要性を示唆するか？

主な発見

• M⋆/Mhalo依存のハロー密度分布は、星質量が広い範囲にわたる観測された回転曲線を、ダークマター・コアを持つ銀河を含めてうまく説明する。
• 全サンプルにおいて、ハロー濃度とMhaloの間に顕著な相関は認められず、これはΛCDMの予測と矛盾する。
• Mhalo−cvir関係における観測された散らばりは、ΛCDMの予測を著しく上回っており、宇宙論的スケーリング関係の破綻を示唆する。
• 低質量銀河の大部分（M⋆<10^9 M⊙）は、アバンドンマッチングの予測よりも小さなハローに宿されており、これはハローが予想より質量が小さいことを示唆する。
• 統計的事前分布の変化や、傾き、非対称性ドリフト補正、データソース、星の質量光度比の不確実性といった系統的誤差に対しても、結果は頑健である。
• 回転曲線のフィッティングと宇宙論的スケーリング関係の不一致は、バリオンフィードバック効果のモデル化が不完全であるか、ダークマター領域に新しい物理が必要であることを示唆する。