[論文レビュー] SHARP -- VII. New constraints on warm dark matter free-streaming properties and substructure abundance from flux-ratio anomalous lensed quasars

Jen-Wei Hsueh, Wolfgang Enzi+6 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、線路上のハロー、星間ディスク、発光性衛星を含む高度なレンズモデルを用いて、7つの強くレンズ効果を受けるクェーサーを分析し、ダークマターの性質を制約した。CDMフレームワーク下で、準位構造質量分率は $ f_{\text{sub}} = 0.011^{+0.007}_{-0.005} $ であり、温いダークマター（WDM）に対しては $ m_{\text{wdm}} > 3.8 \, \text{keV} $ の下限が得られた。これはLy$\alpha$フォレストの制約と整合的である。

ABSTRACT

We present an analysis of seven strongly gravitationally lensed quasars and the corresponding constraints on the properties of dark matter. Our results are derived by modelling the lensed image positions and flux-ratios using a combination of smooth macro models and a population of low-mass haloes within the mass range $10^6$ to $10^9$ M$_\odot$. Our lens models explicitly include higher-order complexity in the form of stellar discs and luminous satellites, and low-mass haloes located along the observed lines of sight for the first time. Assuming a Cold Dark Matter (CDM) cosmology, we infer an average total mass fraction in substructure of $f_{ m sub} = 0.011^{+0.007}_{-0.005}$ (68 per cent confidence limits), which is in agreement with the predictions from CDM hydrodynamical simulations to within 1$\sigma$. This result is significantly different when compared to previous studies that did not include line-of-sight haloes. Under the assumption of a thermal relic warm dark matter (WDM) model, we derive a lower limit on the particle relic mass of $m_{ m wdm} > 3.8$ keV (95 per cent confidence limits), which is consistent with a value of $m_{ m wdm} > 3.5$ keV from the recent analysis of the Ly$\alpha$ forest.

研究の動機と目的

• 重力レンズモデルに線路上の低質量ハローを組み込むことで、ダークマター準位構造の制約を改善すること。
• 強くレンズ効果を受けるクェーサーの観測されたフラックス比の異常が、コールドダークマター（CDM）の予測と整合的かどうかを検証すること。
• フラックス比の異常とレンズデータを用いて、温いダークマター（WDM）粒子質量の制限を導出すること。
• 星間ディスクや発光性衛星といった高次のレンズ効果が、準位構造推定に与える影響を評価すること。

提案手法

• 低質量ハロー（$ 10^6 $ から $ 10^9 \, M_\odot $）の集団を含む滑らかなマクロモデルを用いて、レンズ効果による像の位置とフラックス比をモデリングする。
• このような分析において、観測された線路上のハローを初めて組み込む。
• 高次のレンズ効果を考慮するために、星間ディスクと発光性衛星を含める。
• ベイズ推論を用いて、準位構造質量分率とWDM粒子質量の事後分布を導出する。
• CDMと熱的レリックWDMモデルの両方で結果を比較し、制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線路上のハローを含めた場合、強くレンズ効果を受けるクェーサーのフラックス比の異常から推定されるダークマター準位構造の総質量分率は何か？
• RQ2 推定された準位構造の性質は、CDMの流体力学的シミュレーションの予測とどのように一致するか？
• RQ3 このレンズデータを用いて、温いダークマター粒子の残りの質量に下限を設定できるか？
• RQ4 星間ディスクと発光性衛星の組み込みが、推定される準位構造パラメータにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 68%信頼区間で推定される準位構造質量分率は $ f_{\text{sub}} = 0.011^{+0.007}_{-0.005} $ であり、1$\sigma$の範囲内でCDMシミュレーションと整合的である。
• 線路上のハローを含めた結果は、それらを無視した過去の研究とは顕著に異なる。
• 熱的レリックWDMモデルの下で、95%信頼区間で $ m_{\text{wdm}} > 3.8 \, \text{keV} $ の下限が得られた。
• このWDMの下限は、最近のLy$\alpha$フォレストの制約 $ m_{\text{wdm}} > 3.5 \, \text{keV} $ と整合的である。