[論文レビュー] The effects of self-interacting dark matter on the stripping of galaxies that fall into clusters

Ellen Sirks, Kyle A. Oman+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 44被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、水力学的クラスタ-EAGLEシミュレーションを用いて、自己相互作用的ダークマター（SIDM）がクラスタ内での銀河の剥ぎ取りに与える影響を調査した。SIDM銀河はCDM銀河よりも25%多く質量を失い、完全に破壊される確率も30%高いが、最も剥ぎ取られた銀河はコア形成と星の喪失により観測不能になる。最も有望な観測的テストは、星形成質量対ホール質量比（stellar-to-halo mass ratio）であり、SIDMではクラスタ内での比がフィールドと比べて13倍であるのに対し、CDMでは8倍である。

ABSTRACT

We use the Cluster-EAGLE (C-EAGLE) hydrodynamical simulations to investigate the effects of self-interacting dark matter (SIDM) on galaxies as they fall into clusters. We find that SIDM galaxies follow similar orbits to their Cold Dark Matter (CDM) counterparts, but end up with ${\sim}$25 per cent less mass by the present day. One in three SIDM galaxies are entirely disrupted, compared to one in five CDM galaxies. However, the excess stripping will be harder to observe than suggested by previous DM-only simulations because the most stripped galaxies form cores and also lose stars: the most discriminating objects become unobservable. The best test will be to measure the stellar-to-halo mass relation (SHMR) for galaxies with stellar mass $10^{10-11}\,\mathrm{M}_{\odot}$. This is 8 times higher in a cluster than in the field for a CDM universe, but 13 times higher for an SIDM universe. Given intrinsic scatter in the SHMR, these models could be distinguished with noise-free galaxy-galaxy strong lensing of ${\sim}32$ cluster galaxies.

研究の動機と目的

• 自己相互作用的ダークマター（SIDM）が銀河が銀河クラスタに落下する際の質量剥ぎ取りおよび軌道的ダイナミクスにどのように影響を与えるかを調査すること。
• 過去のDMオンリーシミュレーションが観測可能な効果を過大評価していたことを踏まえ、SIDMとコールドダークマター（CDM）の銀河進化における差が観測可能かどうかを評価すること。
• z=0における観測可能な銀河特性に焦点を当て、クラスタ環境においてSIDMとCDMを区別するための最も頑健な観測的テストを特定すること。
• 水力学的シミュレーションが反応性と星形成を含むため、DMオンliーシミュレーションとは異なり、SIDM誘発の破壊に及ぼすバリオン物理学の影響を評価すること。
• クラスタ内とフィールド内における星形成質量対ホール質量関係（SHMR）の比較を通じて、SIDMにおける過剰な剥ぎ取りの観測可能性を定量化すること。

提案手法

• 放射冷却、星形成、AGNフィードバックを含むバリオン物理学を含む、CDMおよびSIDM設定の両方で実行された水力学的シミュレーション、Cluster-EAGLE（c-eagle）を用いた。
• 自己相互作用断面積 𝜎/m = 1 cm²/g のSIDMとCDMの両方で、2つの落ち着いたクラスタ（CE-05 および CE-12）をシミュレートした。これは現在の観測的制約と整合する上限値である。
• z=14からz=0までの30スナップショットにわたって、Friends-of-Friends（FoF）およびSubfindアルゴリズムを用いて銀河を追跡し、D-Treesアルゴリズムを用いてCDMとSIDMの実行間で銀河をマッチングし、合体木を構築した。
• z=0におけるマッチド銀河の全質量（ダークマター＋星）の比較により質量損失を測定し、崩壊前の最後の既知の位置を用いて破壊度を追跡した。
• クラスタ内およびフィールド内の銀河における星形成質量対ホール質量関係（SHMR）を分析し、CDMとSIDMモデル間の星形成質量対全質量比（M★/Mtot）の差を比較した。
• SHMRの差の検出可能性を評価するため、強力なレーザー信号対ノイズ比の推定値を用い、モデル間の明確な区別には約32個のクラスタ銀河が必要であると計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なCDMと比較して、ダークマターにおける自己相互作用が、銀河が銀河クラスタに落下する際の質量剥ぎ取りおよび軌道的進化にどのように影響を与えるか。
• RQ2 最も剥ぎ取られた銀河が星を失いコアを形成する可能性があることを考慮すると、SIDMとCDMの間の銀河破壊の差はどの程度観測可能か。
• RQ3 特にフィールド集団と比較した場合に、クラスタ内における星形成質量対ホール質量関係（SHMR）がSIDMとCDMを区別するのに使用可能か。
• RQ4 星形成やフィードバックなどのバリオン過程は、DMオンリーシミュレーションとは対照的に、SIDMクラスタ内の銀河の耐久性にどのように影響を与えるか。
• RQ5 強力なレーザーによるクラスタ銀河の観測において、SIDMとCDMを区別するにはどの程度の信号対ノイズ比が必要か。

主な発見

• SIDM銀河はz=0時点でCDM銀河と比較して約25%多く質量を失い、そのうち33%が完全に破壊されたのに対し、CDMでは20%にとどまる。
• 最も剥ぎ取られたSIDM銀河は、大きなコアを形成し星を失うため、観測不能である可能性が非常に高い。
• 星形成質量対全質量比（M★/Mtot）は、SIDMではクラスタ内がフィールドと比べて約10^10.5 M⊙の星形成質量で13倍高いが、CDMでは8倍高い。
• クラスタ内とフィールド内銀河間のSHMRの差が、SIDMとCDMを区別する観測的テストとして最も有望である。これは内部散乱の影響を受ける程度が小さいためである。
• 信号ノイズがゼロの強力なレーザー測定では、約32個のクラスタ銀河の観測で2つのモデルを区別できる。
• バリオンを含む水力学的シミュレーションでは、DMオンリーシミュレーションと比較してSIDMの破壊的効果が軽減される。これはバリオンがコアを再収縮させ、銀河を安定化させるためである。