[论文解读] Detecting low-mass haloes with strong gravitational lensing II: constraints on the density profiles of two detected subhaloes

Giulia Despali, Felix M. Heinze+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2024

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究通过强引力透镜建模，重新评估了两个低质量亚结构的探测结果（SDSSJ0946+1006 和 JVASB1938+66），采用四种不同的密度剖面函数，发现陡峭的内区密度斜率——接近或比等温剖面更陡——是必需的。结果表明，标准NFW剖面在不引入极端浓度的情况下无法解释观测结果，且数据对特征半径内的质量 enclosed mass 约束比对内区斜率更稳健，提示需引入恒星效应或非标准暗物质模型，以调和观测与冷暗物质（CDM）理论预测之间的矛盾。

ABSTRACT

Strong gravitational lensing can detect the presence of low-mass haloes and subhaloes through their effect on the surface brightness of lensed arcs. We carry out an extended analysis of the density profiles and mass distributions of two detected subhaloes, intending to determine if their properties are consistent with the predictions of the cold dark matter (CDM) model. We analyse two gravitational lensing systems in which the presence of two low-mass subhaloes has been previously reported: SDSSJ0946+1006 and JVASB1938+66. We model these detections assuming four different models for their density profiles and compare our results with predictions from the IllustrisTNG50-1 simulation. We find that the detected subhaloes are well-modelled by steep inner density slopes, close to or steeper than isothermal. The NFW profile thus needs extremely high concentrations to reproduce the observed properties, which are outliers of the CDM predictions. We also find a characteristic radius within which the best-fitting density profiles predict the same enclosed mass. We conclude that the lens modelling can constrain this quantity more robustly than the inner slope. We find that the diversity of subhalo profiles in TNG50, consistent with tidally stripping and baryonic effects, is able to match the observed steep inner slopes, somewhat alleviating the tension reported by previous works even if the detections are not well fit by the typical subhalo. However, while we find simulated analogues of the detection in B1938+666, the stellar content required by simulations to explain the central density of the detection in J0946+1006 is in tension with the upper limit in luminosity estimated from the observations. New detections will increase our statistical sample and help us reveal more about the density profiles of these objects and the dark matter content of the Universe.

研究动机与目标

• 评估强引力透镜系统中两个低质量亚结构的观测特性是否与冷暗物质（CDM）模型的预测一致。
• 检验NFW剖面在描述这些亚结构密度分布时的有效性，鉴于先前探测结果假设采用伪-Jaffe剖面。
• 确定强引力透镜数据能够更稳健约束亚结构质量分布的哪个方面——内区斜率或特征半径内的质量。
• 评估来自IllustrisTNG50-1模拟的亚结构（包括潮汐剥离和恒星效应）是否能重现观测到的引力透镜特征。
• 评估观测所得的光度上限是否与解释J0946+1006亚结构中心密度所需的恒星成分相容。

提出的方法

• 作者使用四种不同的密度剖面模型（NFW、伪-Jaffe、Hernquist 和幂律）对引力透镜系统SDSSJ0946+1006 和 JVASB1938+66 进行建模。
• 将这些模型的引力透镜预测与高分辨率HST及凯克自适应光学数据进行比较，以约束亚结构的质量与结构。
• 利用IllustrisTNG50模拟识别探测到的亚结构的类比体，并评估其结构特性，包括内区斜率和浓度。
• 分别从解析剖面和模拟中的粒子分布计算爱因斯坦半径，以评估测量结果的稳定性与噪声水平。
• 推导出亚结构质量与两个关键可观测量之间的标度关系：投影质量（M2D）与爱因斯坦半径（Rein）。
• 利用模拟与观测数据，评估对内区斜率与特征半径（Req）内质量约束的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不引入非物理上极高的浓度的情况下，标准NFW剖面能否解释SDSSJ0946+1006 和 JVASB1938+66 中观测到的引力透镜畸变？
• RQ2 在强引力透镜观测中，哪个亚结构参数——内区密度斜率或封闭质量——能被更稳健地约束？
• RQ3 来自IllustrisTNG50-1模拟的亚结构（包含恒星与潮汐剥离效应）是否能重现两个探测结果中观测到的陡峭内区斜率？
• RQ4 为解释J0946+1006亚结构中心密度而所需的恒星成分，是否与观测到的光度上限相容？
• RQ5 沿视线方向的孤立暗物质晕是否能作为探测到的亚结构的可行替代解释，特别是考虑到其与星系内亚结构的潜在差异？

主要发现

• 两个探测到的亚结构最合理的解释是具有陡峭的内区密度斜率，接近或比等温剖面更陡，表明其质量分布高度集中。
• 在不引入极端高浓度的情况下，NFW剖面无法重现观测结果，而此类高浓度在CDM预测分布中属于异常值。
• 特征半径（Req）内的封闭质量比内区斜率更稳健地由引力透镜数据约束，提示特定半径内的质量是关键可观测量。
• 包含潮汐剥离与恒星效应的TNG50模拟亚结构能够重现观测到的陡峭内区斜率，从而在一定程度上缓解了与CDM预测之间的张力。
• 为解释J0946+1006亚结构中心密度而所需的恒星成分，超过了观测到的光度上限，表明其与标准恒星模型之间可能存在不一致。
• 新探测结果对扩大统计样本、提升对低质量亚结构真实密度剖面及暗物质本质的约束至关重要。