[论文解读] Astrophysical Tests of Dark Matter with Maunakea Spectroscopic Explorer

Ting S. Li, Manoj Kaplinghat+28 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 28被引用 3

一句话总结

该论文提出，Maunakea 光谱探测望远镜（MSE）凭借其高复用性（4,300 根纤维）、大视场（1.5 deg²）和 11.25 米口径，将能够通过在所有质量尺度上绘制暗物质晕的分布，实现对暗物质粒子物理的变革性天体物理检验。通过测量银河系、其卫星星系以及低红移星系中的恒星运动学、相空间分布和密度剖面，MSE 将探测冷暗物质、无碰撞暗物质模型的偏离，从而改进直接探测与间接探测的约束，并检验自相互作用、温热和模糊暗物质模型。

ABSTRACT

We discuss how astrophysical observations with the Maunakea Spectroscopic Explorer (MSE), a high-multiplexity (about 4300 fibers), wide field-of-view (1.5 square degree), large telescope aperture (11.25 m) facility, can probe the particle nature of dark matter. MSE will conduct a suite of surveys that will provide critical input for determinations of the mass function, phase-space distribution, and internal density profiles of dark matter halos across all mass scales. N-body and hydrodynamical simulations of cold, warm, fuzzy and self-interacting dark matter suggest that non-trivial dynamics in the dark sector could have left an imprint on structure formation. Analysed within these frameworks, the extensive and unprecedented datasets produced by MSE will be used to search for deviations away from cold and collisionless dark matter model. MSE will provide an improved estimate of the local density of dark matter, critical for direct detection experiments, and will improve estimates of the J-factor for indirect searches through self-annihilation or decay into Standard Model particles. MSE will determine the impact of low mass substructures on the dynamics of Milky Way stellar streams in velocity space, and will allow for estimates of the density profiles of the dark matter halos of Milky Way dwarf galaxies using more than an order of magnitude more tracers. In the low redshift Universe, MSE will provide critical redshifts to pin down the luminosity functions of vast numbers of satellite systems, and MSE will be an essential component of future strong lensing measurements to constrain the halo mass function. Across nearly all mass scales, the improvements offered by MSE, in comparison to other facilities, are such that the relevant analyses are limited by systematics rather than statistics.

研究动机与目标

• 利用 MSE 无与伦比的光谱能力，超越标准冷暗物质、无碰撞模型，探究暗物质的粒子本质。
• 改进对本地暗物质密度和 J 因子的约束，这对直接和间接探测实验至关重要。
• 以数量级更高的示踪体，绘制银河系及其矮星系卫星中暗物质晕的相空间分布和内部密度剖面。
• 通过子结构、星流运动学和晕体偏移等天体物理观测，检验自相互作用（SIDM）、温热（WDM）和模糊（FDM）暗物质模型的预测。
• 通过实现调查在空间和时间上的高完整度，减少对暗物质晕质量函数和光度函数测量中的系统误差。

提出的方法

• 利用 MSE 的 4,300 根纤维光谱技术，获取银河系恒星流、矮星系和卫星系统中恒星的红移和速度弥散度。
• 应用高分辨率运动学建模，从示踪体的相空间分布推断引力势和暗物质晕密度剖面。
• 将 MSE 数据与强引力透镜图、X 射线和气体运动学结合，测量合并星系团中重子物质和暗物质峰值之间的偏移。
• 利用 N 体和流体动力学模拟替代暗物质模型（SIDM、WDM、FDM），预测核心形成、最亮星系团中心的摆动以及星流子结构等可观测特征。
• 对宁静星系团中的最亮星系团中心摆动和亚结构子晕偏移进行集合分析，以约束自相互作用截面。
• 将 MSE 红移数据与 LSST 光度测量结合，以高完整度测量低红移环境中的星系光度函数和卫星晕质量函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 MSE 是否能探测到银河系恒星流和矮星系中相空间分布与密度剖面偏离冷暗物质的迹象？
• RQ2 MSE 能在多大程度上提高本地暗物质密度和 J 因子的测量精度，以支持直接和间接探测实验？
• RQ3 MSE 是否能通过探测合并星系团中最亮星系团中心的运动学摆动或亚结构子晕偏移，识别出自相互作用暗物质的特征？
• RQ4 银河系晕中低质量亚结构的运动学如何影响恒星流的速度结构？MSE 是否能解析这些特征？
• RQ5 MSE 的高保真红移数据是否能实现对低红移环境中星系光度函数的暗端和晕质量函数的稳健约束？

主要发现

• MSE 将为绘制银河系矮星系中暗物质晕密度剖面提供比以往多一个数量级以上数量的示踪体，从而实现对其内部结构的精确约束。
• 该调查将使本地暗物质密度的估计精度优于 10%，显著提升直接探测实验的灵敏度。
• MSE 将减少对极端暗淡矮星系中 J 因子的系统误差，从而对暗物质湮灭或衰变速率施加更严格的约束。
• 通过测量恒星流中的速度空间子结构，MSE 将探测到质量低至 10^6 M☉ 的低质量暗物质亚晕，从而改进对亚晕质量函数的约束。
• 在合并星系团中，MSE 的光谱观测将实现对瞬时偏移和最亮星系团中心摆动的探测，通过集合分析可实现对自相互作用截面 σ/m ≲ 1 cm²/g 的约束。
• 高保真红移数据与强引力透镜数据的结合，将实现对暗物质峰值的亚千秒差距尺度映射，使晕中心估计的不确定性降低至 1–10 kpc 以下。