[论文解读] Constraints on MACHO Dark Matter from the Star Cluster in the Dwarf Galaxy Eridanus II

Timothy D. Brandt|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文利用天龙座II矮星系中动态脆弱的星团，对大质量致密晕物（MACHOs）作为暗物质候选者的可能性进行约束。该星团的低光度（≈2000 L☉）和较大的半光半径（13 pc）使其对MACHO暗物质引起的动力学加热极为敏感，从而在从~10⁻⁷ M☉到极高质量的广泛质量范围内得出强有力的排除限制，有效关闭了此前未被完全排除的20–100 M☉ MACHO窗口。

ABSTRACT

I show that a recently discovered star cluster near the center of the ultra-faint dwarf galaxy Eridanus II provides strong constraints on massive compact halo objects (MACHOs) of >~5 M_sun as the main component of dark matter. MACHO dark matter will dynamically heat the cluster, driving it to larger sizes and higher velocity dispersions until it dissolves into its host galaxy. The star cluster has a luminosity of just ~2000 L_sun and is relatively puffy, with a half-light radius of 13 pc, making it much more fragile than other known clusters in dwarf galaxies. For a wide range of plausible dark matter halo properties, Eri II's star cluster combines with existing constraints from microlensing, wide binaries, and disk kinematics to rule out dark matter composed entirely of MACHOs from ~10$^{-7}$ M_sun up to arbitrarily high masses. The cluster in Eri II closes the ~20--100 M_sun window of allowed MACHO dark matter and provides much stronger constraints than wide Galactic binaries for MACHOs of up to thousands of Solar masses.

研究动机与目标

• 检验大质量致密晕物（MACHOs）作为暗物质主要组分的假设。
• 评估MACHO暗物质对天龙座II超微弱矮星系中一个脆弱星团的动力学影响。
• 通过结合星团动力学与现有的微引力透镜、宽双星系统和盘面运动学限制，改进对MACHO质量的约束。
• 填补MACHO质量参数空间中剩余的空白，特别是此前未被先前方法完全排除的20–100 M☉窗口。

提出的方法

• 通过引力散射模拟MACHO暗物质对天龙座II星团的动力学加热过程。
• 利用星团观测到的半光半径（13 pc）和光度（~2000 L☉）作为其脆弱性及对潮汐破坏敏感性的指标。
• 应用来自微引力透镜巡天、宽双星系统和盘面运动学的约束，以限定允许的MACHO质量和密度空间。
• 评估在不同MACHO晕模型下星团解体的时间尺度，以判断其与星团当前存续状态的一致性。
• 将MACHO相互作用引起的动力学加热速率与星团的观测速度弥散度和结构参数进行比较。
• 通过要求MACHO引起的加热效应不超过星团当前的结构和动力学状态，推导出排除限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 天龙座II星团的存续是否能够排除质量高于~5 M☉的MACHOs作为主导暗物质组分？
• RQ2 与其它星团相比，该星团较大的半光半径（13 pc）在多大程度上增强了其对MACHO引起动力学加热的敏感性？
• RQ3 星团的特性如何与现有的微引力透镜、宽双星和盘面运动学约束相结合，以关闭20至100 M☉之间的MACHO质量窗口？
• RQ4 在天龙座II中合理的暗物质晕特性下，与星团当前动力学状态一致的MACHO质量上限是多少？
• RQ5 与来自银河系宽双星系统的约束相比，该星团对高质质量MACHOs的约束强度如何？

主要发现

• 天龙座II星团光度约为~2000 L☉，半光半径为13 pc，对MACHO暗物质引起的动力学加热极为敏感。
• 质量高于~5 M☉的MACHO暗物质将使星团加热至解体，这与星团当前的存续状态不一致。
• 在天龙座II中合理的暗物质晕特性广泛范围内，该星团排除了从~10⁻⁷ M☉到任意高质质量的MACHOs作为唯一暗物质组分的可能性。
• 该星团填补了此前未被排除的20–100 M☉ MACHO暗物质窗口，这一区域此前未被先前方法完全约束。
• 对于质量高达数千倍太阳质量的MACHOs，该星团提供的约束远强于来自银河系宽双星系统的约束。
• 结合星团、微引力透镜、宽双星和盘面运动学的约束，提供了迄今为止最全面的MACHO暗物质排除结果。