[論文レビュー] Notes on the Missing Satellites Problem

James S. Bullock|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2010

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、ΛCDM宇宙論における『欠落した衛星問題』を検討している。シミュレーションでは、観測された衛星銀河よりもはるかに多くの暗黒物質の準銀河（subhalo）が予測される。本稿では、非常に明るさが低く、広がりが大きいために検出が困難な超微弱銀河および「ステルス」銀河が、この欠落した衛星を説明できる可能性を主張している。運動論的および検出完全性の研究が、$ V_{\rm max} \simeq 15\,\text{km}\,\text{s}^{-1} $ の近辺に特徴的な質量スケールに一致しており、再電離と冷却抑制が主要なメカニズムであると考えられる。

ABSTRACT

The Missing Satellites Problem (MSP) broadly refers to the overabundance of predicted Cold Dark Matter (CDM) subhalos compared to satellite galaxies known to exist in the Local Group. The most popular interpretation of the MSP is that the smallest dark matter halos in the universe are extremely inefficient at forming stars. The question from that standpoint is to identify the feedback source that makes small halos dark and to identify any obvious mass scale where the truncation in the efficiency of galaxy formation occurs. Among the most exciting developments in near-field cosmology in recent years is the discovery of a new population satellite galaxies orbiting the Milky Way and M31. Wide field, resolved star surveys have more than doubled the dwarf satellite count in less than a decade, revealing a population of ultrafaint galaxies that are less luminous that some star clusters. For the first time, there are empirical reasons to believe that there really are missing satellite galaxies in the Local Group, lurking just beyond our ability to detect them, or simply inhabiting a region of the sky that has yet to have been surveyed. Both kinematic studies and completeness-correction studies seem to point to a characteristic potential well depth for satellite subhalos that is quite close to the mass scale where photoionization and atomic cooling should limit galaxy formation. Among the more pressing problems associated with this interpretation is to understand the selection biases that limit our ability to detect the lowest mass galaxies. The least massive satellite halos are likely to host stealth galaxies with very-low surface brightness and this may be an important limitation in the hunt for low-mass fossils from the epoch of reionization.

研究の動機と目的

• 予測された冷たい暗黒物質（CDM）準銀河の過剰な数と、局所銀河団における観測された衛星銀河の数の一致を図ること。
• 特に冷却抑制とフィードバックの役割を含め、低質量準銀河における銀河形成の抑制に寄与する物理的メカニズムを特定すること。
• 現在の調査における選択バイアス、特に低表面輝度・超微弱「ステルス」銀河の検出を妨げる要因を評価すること。
• 完全性と表面輝度の効果を考慮した場合、ミルキーウェイの衛星の観測された質量関数がΛCDMシミュレーションの予測と一致するかどうかを同定すること。

提案手法

• 既知のミルキーウェイ衛星の星の速度分散から運動論的質量推定値（$ M_{300} $）を用いて、準銀河質量を推定する。
• 調査の深さと範囲に基づき、検出可能な衛星の総数を推定するための完全性補正技術を適用する。
• ΛCDMシミュレーションからの予測準銀河数と観測された衛星数を、明るさと表面輝度の検出限界に合わせて比較する。
• 運動論的質量関数と完全性補正済み明るさ関数の整合性を分析し、特徴的な質量スケールを同定する。
• 特に $ V_{\rm max} \simeq 15\,\text{km}\,\text{s}^{-1} $ の近辺で、原子冷却と光子イオン化フィードバックが低質量での銀河形成を遮断する役割を評価する。
• 表面輝度と星の分布制約を用いて、「ステルス」銀河（広がりが大きく、表面輝度が低い）の存在可能性をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量暗黒物質準銀河における銀河形成効率が著しく低下する質量スケールは何か？ そしてそれは、原子冷却や光子イオン化の物理的閾値と一致するか？
• RQ2 現在の調査における選択バイアス、特に表面輝度の制限が、ミルキーウェイ衛星における明るさと準銀河質量の相関欠如をどの程度説明できるか？
• RQ3 ミルキーウェイのハロー内に、検出されていない低明るさの衛星銀河が何個存在する可能性があり、その何割が「ステルス」銀河に分類されるか？
• RQ4 運動論的質量推定値と完全性補正済み明るさ関数が、独立して同じ特徴的な準銀河質量スケールを示しているか？ そしてこれはフィードバックモデルにどのような含意を持つのか？
• RQ5 現在検出されていない超微弱で広がりのある銀河の存在によって、予測と観測の間の乖離を解消できるか？

主な発見

• 運動論的質量測定と完全性補正研究の両方が、$ V_{\rm max} \simeq 15\,\text{km}\,\text{s}^{-1} $（$ M_{300} \simeq 10^7\,M_\odot $ に相当）という特徴的な準銀河質量スケールに一致しており、ここでは銀河形成効率が急激に低下しているように見える。
• ミルキーウェイのハローには、最も明るさが弱い既知の矮星銀河と同等の明るさを持つ衛星銀河が約400個存在すると推定されており、そのうち100個以上が現在の調査で欠落している可能性がある。
• 既知の超微弱dSphと同等の明るさを持つ予測された衛星銀河の多くが、低表面輝度のため検出されておらず、その多くが「ステルス」銀河に分類される可能性がある。特に、半数以上がそのような分類に該当する可能性がある。
• ミルキーウェイ衛星における明るさと $ M_{300} $ もしくは $ V_{\rm max} $ の間の相関欠如は、特に明るさが弱い領域で表面輝度の選択バイアスに起因している可能性がある。
• 質量スケール $ V_{\rm max} \simeq 15\,\text{km}\,\text{s}^{-1} $ は、理論的閾値である原子冷却抑制と光子イオン化加熱と非常に一致しており、これらプロセスが低質量準銀河における銀河形成を抑制する主要なフィードバック機構である可能性が示唆される。
• 今後10年以内にLSSTや30m級望遠鏡などの新しい調査が、これまで隠れていた低表面輝度の衛星銀河を数100個検出できると予想され、『欠落した衛星問題』が解決されるだろう。