[论文解读] Halo concentration strengthens dark matter constraints in galaxy-galaxy strong lensing analyses

J.W Nightingale, Qiuhan He+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 67被引用 40

一句话总结

本文表明，晕浓度显著提升了星系-星系强引力透镜中低质量暗物质晕的可探测性，使得对温暗物质（WDM）粒子质量的约束比以往认为的要严格一个数量级。通过模拟透镜图像并考虑质量-浓度关系，研究发现，在WDM模型中常见的高浓度晕会产生更强、更易探测的透镜扰动，即使其丰度被抑制。

ABSTRACT

A defining prediction of the cold dark matter cosmological model is the existence of a very large population of low-mass haloes. This population is absent in models in which the dark matter particle is warm (WDM). These alternatives can, in principle, be distinguished observationally because haloes along the line of sight can perturb galaxy–galaxy strong gravitational lenses. Furthermore, the WDM particle mass could be deduced because the cut-off in their halo mass function depends on the mass of the particle. We systematically explore the detectability of low-mass haloes in WDM models by simulating and fitting mock lensed images. Contrary to previous studies, we find that haloes are harder to detect when they are either behind or in front of the lens. Furthermore, we find that the perturbing effect of haloes increases with their concentration: Detectable haloes are systematically high-concentration haloes, and accounting for the scatter in the mass–concentration relation boosts the expected number of detections by as much as an order of magnitude. Haloes have lower concentration for lower particle masses and this further suppresses the number of detectable haloes beyond the reduction arising from the lower halo abundances alone. Taking these effects into account can make lensing constraints on the value of the mass function cut-off at least an order of magnitude more stringent than previously appreciated.

研究动机与目标

• 使用强引力透镜研究温暗物质（WDM）模型中低质量暗物质晕的可探测性。
• 探究晕浓度如何影响透镜图像中扰动的可观测性。
• 量化质量-浓度关系的弥散对可探测晕数量及由此产生的WDM约束的影响。
• 通过在透镜模拟中引入真实的晕结构特性，改进晕探测率的预测。
• 通过考虑浓度效应，重新评估当前哈勃空间望远镜（HST）引力透镜数据对WDM粒子质量的敏感性。

提出的方法

• 使用真实透镜模型和宇宙学晕群体，模拟星系-星系强引力透镜系统的模拟图像。
• 采用贝叶斯框架计算灵敏度函数，定义给定晕属性和透镜系统配置下检测到晕的概率p。
• 将质量-浓度关系及其弥散纳入晕群体模型，其中浓度随WDM粒子质量降低而减小。
• 使用对数似然增量（∆L）作为检测指标，设定阈值为∆L > 30（四重像）或∆L > 20（弧状结构）以定义可探测性。
• 比较包含浓度效应的模型与假设固定或平均浓度的模型之间的检测预期。
• 使用泊松分布的检测计数，计算不同截断质量的WDM模型与CDM之间的似然比R。

实验结果

研究问题

• RQ1 晕浓度在强引力透镜系统中如何影响低质量暗物质晕的可探测性？
• RQ2 质量-浓度关系的弥散在多大程度上放大了WDM模型中可探测晕的数量？
• RQ3 与假设固定或平均浓度的模型相比，浓度效应如何改变可探测晕的预期数量？
• RQ4 晕浓度对强引力透镜探测WDM粒子质量的敏感性有何影响，特别是低于当前数据检测阈值时？
• RQ5 当正确考虑浓度效应时，当前HST数据是否能比以往认为的更严格地约束WDM？

主要发现

• 晕浓度显著增强可探测性：高浓度晕产生更显著的透镜扰动，因此更可能被探测到。
• 考虑质量-浓度关系的弥散后，可探测晕的预期数量相比假设固定浓度的模型最多提升一个数量级。
• WDM晕在粒子质量较低时浓度更低，这使得可探测性进一步被抑制，超出仅由晕丰度减少带来的影响。
• 当引入浓度效应后，WDM晕质量函数截断（Mcut）的约束至少比以往估计严格一个数量级。
• 即使当前HST数据难以探测质量低于∼10^9.5 M⊙的晕，浓度效应仍使对WDM截断质量的约束低至Mcut ≳ 10^8 M⊙，有效探测到比名义敏感度极限低一个数量级的WDM模型。
• 似然比分析表明，忽略浓度效应的模型严重低估了引力透镜数据的约束能力，尤其是在低-Mcut的WDM情景下。