[论文解读] A Stringent Upper Limit on Dark Matter Self-Interaction Cross Section from Cluster Strong Lensing

Kevin E Andrade, Jackson Fuson+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 120被引用 88

一句话总结

本研究利用8个大质量星系团中的强引力透镜效应，约束了暗物质（DM）的自相互作用截面，得出在68%可信度下σ/m = 0.082+0.027−0.021 cm²/g，在95%置信水平下σ/m < 0.13 cm²/g。该方法结合透镜建模与自相互作用暗物质（SIDM）晕模型，从像的位置推断出暗物质密度分布，并与解析SIDM模型拟合，从而基于仅强透镜数据，获得目前最严格的暗物质自相互作用约束之一。

ABSTRACT

We analyze strongly lensed images in 8 galaxy clusters to measure their dark matter density profiles in the radial region between 10 kpc and 150 kpc, and use this to constrain the self-interaction cross section of dark matter (DM) particles. We infer the mass profiles of the central DM halos, bright central galaxies, key member galaxies, and DM subhalos for the member galaxies for all 8 clusters using the Qlens code. The inferred DM halo surface densities are fit to a self-interacting dark matter (SIDM) model, which allows us to constrain the self-interaction cross section over mass $\sigma$/m. When our full method is applied to mock data generated from two clusters in the Illustris-TNG simulation, we find results consistent with no dark matter self-interactions as expected. For the eight observed clusters with average relative velocities of $1458_{-81}^{+80}$ km/s, we infer $\sigma$/m = $0.082_{-0.021}^{+0.027}$ cm$^2$/g and $\sigma$/m < 0.13 cm$^2$/g at the 95% confidence level.

研究动机与目标

• 利用大质量星系团中的强引力透镜效应，约束暗物质（σ/m）的自相互作用截面。
• 通过在星系团中心建模暗物质与重子物质的质量分布，检验仅依靠强透镜效应是否能对自相互作用暗物质（SIDM）提供稳健约束。
• 评估在基于透镜的暗物质密度分布推断中，视线方向投影和模型假设对集中度与晕形貌造成的系统性偏差。
• 利用Illustris-TNG模拟的模拟数据验证该方法，确保其与无自相互作用的情况保持一致。

提出的方法

• 使用QLens代码对8个动力学松弛的星系团进行总质量分布建模，包括暗物质晕、明亮中心星系（BCG）、成员星系及暗物质亚晕的贡献。
• 利用强透镜像来推断表面质量密度分布，其中像的位置和多重像作为透镜建模的约束条件。
• 应用解析SIDM晕模型，其中外部轮廓遵循NFW形式，内部区域因自相互作用而变为等温，过渡半径由σ/m决定。
• 通过宇宙学先验允许晕在视线方向上呈拉长状，以调节轴比，从而减少投影效应带来的偏差。
• 将所有星系团推断出的σ/m值结合一个共同的系统误差，以获得全局约束，同时考虑建模不确定性。
• 在Illustris-TNG模拟的两个模拟星系团上验证该方法，确认其与零自相互作用情况一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅依靠强引力透镜效应能否对暗物质自相互作用截面（σ/m）提供严格约束？
• RQ2 晕的拉长和视线方向投影如何影响透镜模型中对暗物质集中度与σ/m的推断？
• RQ3 重子组分（尤其是BCG）在高质星系团中对推断出的暗物质密度分布与σ/m有多大影响？
• RQ4 推断出的暗物质晕参数与ΛCDM及SIDM模拟的预期相比如何？
• RQ5 透镜建模中的系统误差对最终σ/m约束的影响有多大？

主要发现

• 分析得出，暗物质单位质量的自相互作用截面在68%可信区间内的约束为σ/m = 0.082+0.027−0.021 cm²/g。
• 在95%置信水平下，上限为σ/m < 0.13 cm²/g，这是目前基于星系团尺度透镜效应获得的最严格SIDM约束之一。
• 星系团中暗物质粒子的平均相对速度为1458+80−81 km/s，对速度依赖性截面具有参考意义。
• BCG与暗物质晕质心在投影方向上的中位偏移为4 kpc，与低σ/m情形（σ/m ≪ 1 cm²/g）的预期一致。
• 该方法成功以RMS误差0.′′32至1.′′07再现了像的位置，仅在MACS2129中存在一个异常像。
• 建模带来的系统误差估计为0.27 dex，表明不完善的晕或重子轮廓假设可能引入潜在偏差。