[论文解读] Astrometric Microlensing by Local Dark Matter Subhalos

Adrienne L. Erickcek, Nicholas M. Law|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 1

一句话总结

本文提出通过天体测量微引力透镜效应探测银河系中的暗物质亚结构——即当亚结构经过恒星前方时，由引力透镜引起的恒星位置微小位移。利用N体模拟和广义透镜截面形式，研究发现：若中等质量亚结构（Mvir > 10,000 M☉）具有致密核心，则可能产生可探测的天体测量信号（> 几微角秒），若其核心密度超过当前模型预测值，此类信号或可被Gaia、SIM或地面自适应光学系统探测到。

ABSTRACT

High-resolution N-body simulations of dark matter halos indicate that the Milky Way contains numerous subhalos. When a dark matter subhalo passes in front of a star, the light from that star will be deflected by gravitational lensing, leading to a small change in the star's apparent position. This astrometric microlensing signal depends on the inner density profile of the subhalo and can be greater than a few microarcseconds for an intermediate-mass subhalo (Mvir > 10000 solar masses) passing within arcseconds of a star. Current and near-future instruments could detect this signal, and we evaluate SIM's, Gaia's, and ground-based telescopes' potential as subhalo detectors. We develop a general formalism to calculate a subhalo's astrometric lensing cross section over a wide range of masses and density profiles, and we calculate the lensing event rate by extrapolating the subhalo mass function predicted by simulations down to the subhalo masses potentially detectable with this technique. We find that, although the detectable event rates are predicted to be low on the basis of current simulations, lensing events may be observed if the central regions of dark matter subhalos are more dense than current models predict (>1 solar mass within 0.1 pc of the subhalo center). Furthermore, targeted astrometric observations can be used to confirm the presence of a nearby subhalo detected by gamma-ray emission. We show that, for sufficiently steep density profiles, ground-based adaptive optics astrometric techniques could be capable of detecting intermediate-mass subhalos at distances of hundreds of parsecs, while SIM could detect smaller and more distant subhalos.

研究动机与目标

• 评估通过天体测量微引力透镜效应探测暗物质亚结构的可行性，即引力透镜引起恒星位置可测量位移。
• 评估当前及未来天体测量仪器——Gaia、SIM及地面自适应光学系统——对这类信号的探测灵敏度。
• 研究亚结构密度分布（特别是高中心密度）对可探测性及事件率的影响。
• 确定定向天体测量观测是否可用于确认先前通过伽马射线辐射探测到的亚结构。

提出的方法

• 开发了一般性形式化方法，用于计算不同质量与密度分布下亚结构的天体测量透镜截面。
• 利用高分辨率N体模拟模拟亚结构质量函数，并将其外推至可通过天体测量微引力透镜探测的范围。
• 通过将亚结构质量函数与透镜截面形式相结合，计算天体测量微引力透镜事件的预期发生率。
• 通过将预测的天体测量位移（以微角秒计）与Gaia、SIM及地面自适应光学系统的灵敏度极限进行比较，评估亚结构的可探测性。
• 评估亚结构集中度与核心密度对可探测性的影响，特别关注中心0.1 pc内质量超过1 M☉的亚结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于当前亚结构质量函数预测，银河系中暗物质亚结构引发的天体测量微引力透镜事件预期发生率是多少？
• RQ2 亚结构密度分布（特别是高中心密度）如何影响天体测量信号的振幅与可探测性？
• RQ3 在不同距离与质量下，哪些天体测量仪器——Gaia、SIM或地面自适应光学系统——能够探测中等质量亚结构？
• RQ4 定向天体测量观测是否可用于确认先前通过伽马射线辐射探测到的亚结构？

主要发现

• 当中等质量亚结构（Mvir > 10,000 M☉）以接近恒星（角距离在角秒量级）通过时，其天体测量微引力透镜信号可超过几微角秒，因而具有可探测性。
• 当前模拟预测的可探测事件率较低，但若亚结构核心密度超过当前模型预测值（例如：0.1 pc内质量超过1 M☉），则该事件率可显著提升。
• 若密度分布足够陡峭，地面自适应光学天体测量可探测到数百秒差距外的中等质量亚结构。
• 由于角分辨率和灵敏度更高，SIM可探测到比地面系统更小、更遥远的亚结构。
• 定向天体测量观测可作为确认先前通过伽马射线辐射探测到的亚结构的工具，尤其适用于密度分布陡峭的亚结构。
• 本文提出的透镜截面形式化方法可实现对广泛质量范围与结构参数下可探测亚结构群体的稳健估计。