[論文レビュー] On the structure and nature of dark matter halos

Andreas Burkert, Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、矮星系における観測された回転曲線と理論的モデルを比較することで、暗黒物質ハローの構造と組成を調査している。コールド・ダーク・マター（CDM）モデルにおける普遍的密度プロファイルと質量半径スケーリングに関しては強い一致が得られるが、内部ハロー・プロファイルには顕著な不一致が見られ、理論と観測の不一致を解消するには、バリオンと非バリオンの両方の暗黒物質を含む二成分ハロー・モデルの導入が不可欠である可能性を示唆している。

ABSTRACT

The structure of dark matter halos as predicted from cosmological models is discussed and compared with observed rotation curves of dark matter-dominated dwarf galaxies. The theoretical models predict that dark matter halos represent a one-parameter family with a universal density profile. Observations of dark matter-dominated rotation curves indeed confirm the universal structure of dark halos. They are even in excellent agreement with the expected mass-radius scaling relations for the currently favoured cosmological model (standard cold dark matter with Omega_0=0.25 and Omega_{Lambda}=0.75). The rotation profiles however disagree with the predicted dark matter density distributions. Secular processes which might affect the inner halo structure do not seem to provide a good solution to this problem. We discuss, as an alternative, the possibility that dark halos consist of two separate components, a dark baryonic and a dark non-baryonic component.

研究の動機と目的

• 理論的暗黒物質ハロー・モデルと矮星系における観測された回転曲線との整合性を評価すること。
• 時間的進行的過程（secular processes）が、予測されたと観測された内部ハロー密度プロファイルの不一致を解消できるかどうかを調査すること。
• 暗黒ハローが、暗黒バリオンと非バリオンの暗黒物質という二つの異なる成分から成る可能性を検討すること。
• 二成分暗黒物質モデルが、観測されたハロー構造を説明する上で実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 宇宙論的シミュレーションから得られた理論的暗黒物質ハロー密度プロファイルと、暗黒物質支配の矮星系における観測された回転曲線を比較すること。
• Ω₀=0.25 および ΩΛ=0.75 を用いた標準的なコールド・ダーク・マター（CDM）モデルを用いて、質量半径スケーリング関係を予測すること。
• 観測データを用いて、予測されたNFW型プロファイルからの内部ハロー構造のずれを分析すること。
• 動的摩擦やエネルギー交換といった時間的進行的過程が、構造的不一致を説明する可能性があるかどうかを評価すること。
• 非バリオン的成分と暗黒バリオン的成分の二つの成分から成る代替的モデルを提案すること。
• 回転曲線データを用いて、ハロー構造における各成分の寄与割合を制約すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 矮星系の観測された回転曲線は、コールド・ダーク・マター（CDM）モデルが予測する普遍的密度プロファイルとどの程度一致するか？
• RQ2 質量半径スケーリングに関しては理論と一致しているにもかかわらず、なぜ観測された内部ハロー密度プロファイルが理論的予測から系統的にずれているのか？
• RQ3 動的摩擦やエネルギー移動といった時間的進行的過程が、内部ハロー構造における観測された不一致を説明できるか？
• RQ4 非バリオン的物質と暗黒バリオン物質の両方を含む二成分暗黒物質モデルは、単一成分モデルよりも観測データと整合性が高いか？
• RQ5 観測された回転曲線は、ハロー内における暗黒バリオン物質と非バリオン物質成分の相対的分布および質量分率をどの程度制約するか？

主な発見

• 暗黒物質支配の矮星系における観測された回転曲線は、Ω₀=0.25 および ΩΛ=0.75 を用いた標準的コールド・ダーク・マター（CDM）モデルの予測される質量半径スケーリング関係と非常に良好に一致している。
• この一致にもかかわらず、観測された内部ハロー密度プロファイルは、理論的に予測されたNFW型プロファイルから系統的にずれている。
• 動的摩擦やエネルギー交換といった時間的進行的過程では、観測された内部ハロー構造の不一致を十分に説明できない。
• 理論と観測の間の不一致は、標準的な単一成分の暗黒物質ハロー・モデルが不完全である可能性を示唆している。
• 著者らは、暗黒ハローが、暗黒バリオン的成分と非バリオン的成分という二つの異なる成分から成る可能性を提案している。この二成分モデルは、観測と理論の一致を図る手がかりとなる可能性がある。
• 二成分モデルは、特に内部プロファイル問題を解消する観点から、観測されたハロー構造を説明する妥当な代替説明を提供する。