[论文解读] Constraints on the properties of warm dark matter using the satellite galaxies of the Milky Way

Oliver Newton, Matteo Leo+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 97被引用 96

一句话总结

本研究利用银河系卫星星系群的观测，对温暗物质（WDM）粒子质量施加约束。通过结合N体模拟、观测的光度函数估计以及星系形成建模——包括再电离效应——本研究得出了热退火WDM粒子质量的稳健下限，排除了在95%置信水平下mth ≤ 2.02 keV的模型，并在引入星系形成物理机制后，将下限增强至mth ≤ 3.99 keV。

ABSTRACT

The satellite galaxies of the Milky Way (MW) are effective probes of the underlying dark matter (DM) substructure, which is sensitive to the nature of the DM particle. In particular, a class of DM models have a power spectrum cut-off on the mass scale of dwarf galaxies and thus predict only small numbers of substructures below the cut-off mass. This makes the MW satellite system appealing to constrain the DM properties: feasible models must produce enough substructure to host the number of observed Galactic satellites. Here, we compare theoretical predictions of the abundance of DM substructure in thermal relic warm DM (WDM) models with estimates of the total satellite population of the MW. This produces conservative robust lower limits on the allowed mass, $m_\mathrm{th}$, of the thermal relic WDM particle. As the abundance of satellite galaxies depends on the MW halo mass, we marginalize over the corresponding uncertainties and rule out $m_\mathrm{th} \leq 2.02\, \mathrm{keV}$ at 95 per cent confidence independently of assumptions about galaxy formation processes. Modelling some of these - in particular, the effect of reionization, which suppresses the formation of dwarf galaxies - strengthens our constraints on the DM properties and excludes models with $m_\mathrm{th} \leq 3.99\, \mathrm{keV}$ in our fiducial model. We also find that thermal relic models cannot produce enough satellites if the MW halo mass is $M_{200}\leq 0.6 imes 10^{12}\, \mathrm{M_\odot}$, which imposes a lower limit on the MW halo mass in CDM. We address several observational and theoretical uncertainties and discuss how improvements in these will strengthen the DM mass constraints.

研究动机与目标

• 利用观测到的银河系卫星星系数量，对热退火温暗物质（WDM）粒子质量进行约束。
• 解决N体模拟中子结构检测受数值分辨率效应和卫星星系群完整度不确定性的影响。
• 评估星系形成过程（特别是再电离）对WDM约束的影响。
• 推导对WDM粒子质量的稳健、与模型无关的下限，且对详细星系形成假设不敏感。
• 在WDM模型能够重现观测到的卫星星系数目的前提下，建立冷暗物质（CDM）框架下银河系晕质量的下限。

提出的方法

• 利用高分辨率N体模拟，对质量相当于银河系的晕在热退火WDM模型下的暗物质子结构形成进行建模。
• 采用与模型无关的径向密度分布函数，对观测到的卫星星系真实空间分布进行估计。
• 通过收敛性测试和子结构探测器校准，校正模拟中因分辨率和数值效应导致的低质量子结构被抑制或破坏的问题。
• 采用贝叶斯框架，通过比较预测的子结构丰度与实际观测到的卫星星系数，计算模型接受概率。
• 使用蒙特卡洛方法，将总卫星星系数（300 kpc内为124+40−27）的不确定性纳入考量，以传播观测不确定性。
• 使用GALFORM半解析模型模拟星系形成过程，通过可调参数（zreion和Vcut）引入再电离效应，并将星等重新映射以匹配观测到的光度函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 与观测到的银河系卫星星系数一致的热退火WDM粒子质量最小值是多少？
• RQ2 N体模拟中的数值分辨率效应如何导致先前WDM约束产生偏差？如何进行校正？
• RQ3 在星系形成物理机制（特别是再电离）中引入后，对WDM粒子质量的约束会如何改变？
• RQ4 卫星星系数对银河系暗物质晕质量在CDM框架下的下限有何限制？
• RQ5 约束结果对总卫星星系数和晕质量的不确定性有多敏感？

主要发现

• 本研究在95%置信水平下，确立了热退火WDM粒子质量的保守、稳健下限mth ≥ 2.02 keV，且不依赖于星系形成模型。
• 当引入星系形成物理机制（特别是再电离）后，约束进一步增强至mth ≥ 3.99 keV（基准模型），排除了更轻的WDM粒子。
• 若银河系晕质量低于M200 ≤ 0.6 × 10^12 M⊙，则热退火WDM模型无法重现观测到的卫星星系数，意味着CDM晕质量存在下限。
• 将总卫星星系数的观测不确定性（124+40−27）纳入考虑，显著提升了约束的稳健性，相比固定估计值更为可靠。
• 模拟中的分辨率效应导致子结构数量被低估，校正后使先前约束变弱，因此本研究结果更具保守性。
• 约束结果对再电离参数敏感：更晚的再电离（更高的zreion）或更低的冷却阈值（更低的Vcut）会削弱约束，极端参数组合下mth上限可达5.82 keV。