[论文解读] Milky Way Satellite Census. IV. Constraints on Decaying Dark Matter from Observations of Milky Way Satellite Galaxies

S. Mau, Ethan O. Nadler+68 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 117被引用 39

一句话总结

本论文利用银河系卫星星系群对衰变暗物质（DDM）进行约束，通过建模DDM衰变如何将‘反冲速度’赋予次级粒子，从而耗尽低质量次晕。结合高分辨率模拟与考虑观测偏倚的正向建模方法，研究发现：对于20 km s⁻¹反冲速度的DDM模型，其寿命短于18 Gyr（95%置信水平）；对于40 km s⁻¹反冲速度的DDM模型，其寿命短于29 Gyr（95%置信水平）的模型被排除，提供了目前来自小尺度结构的最紧约束之一。

ABSTRACT

We use a recent census of the Milky Way (MW) satellite galaxy population to constrain the lifetime of particle dark matter (DM). We consider two-body decaying dark matter (DDM) in which a heavy DM particle decays with lifetime τ comparable to the age of the universe to a lighter DM particle (with mass splitting ϵ) and to a dark radiation species. These decays impart a characteristic "kick velocity,"V kick = ϵ c, on the DM daughter particles, significantly depleting the DM content of low-mass subhalos and making them more susceptible to tidal disruption. We fit the suppression of the present-day DDM subhalo mass function (SHMF) as a function of τ and V kick using a suite of high-resolution zoom-in simulations of MW-mass halos, and we validate this model on new DDM simulations of systems specifically chosen to resemble the MW. We implement our DDM SHMF predictions in a forward model that incorporates inhomogeneities in the spatial distribution and detectability of MW satellites and uncertainties in the mapping between galaxies and DM halos, the properties of the MW system, and the disruption of subhalos by the MW disk using an empirical model for the galaxy-halo connection. By comparing to the observed MW satellite population, we conservatively exclude DDM models with τ < 18 Gyr (29 Gyr) for V kick = 20 kms-1 (40 kms-1) at 95% confidence. These constraints are among the most stringent and robust small-scale structure limits on the DM particle lifetime and strongly disfavor DDM models that have been proposed to alleviate the Hubble and S 8 tensions.

研究动机与目标

• 检验衰变暗物质（DDM）是否能解释诸如哈勃常数和S8张力等宇宙学张力。
• 评估DDM衰变对银河系卫星次晕质量函数（SHMF）的影响。
• 利用观测到的卫星星系数目和空间分布，约束DDM粒子的寿命和反冲速度。
• 开发一种稳健的正向建模框架，以考虑观测不完整性、星系-晕关联不确定性以及盘状结构引起的潮汐破坏。

提出的方法

• 在银河系质量晕的高分辨率聚焦模拟中模拟DDM衰变，以建模次晕质量函数（SHMF）随衰变寿命τ和反冲速度Vkick的变化而受到的抑制。
• 通过与类似银河系系统的新型DDM模拟结果对比，验证模拟得到的SHMF抑制效应。
• 在正向建模框架中实现DDM SHMF预测，该框架包含卫星探测性的非均匀性、星系-晕关联不确定性以及基于实测的盘状结构破坏模型。
• 通过贝叶斯推断，将建模的卫星星系群与观测到的银河系卫星系统进行比较，以约束DDM参数。
• 利用emcee软件包进行马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样，以探索参数空间并计算95%置信区间。
• 整合来自暗能量巡天（DES）的观测数据，包括空间分布、星等极限和完备性校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 与观测到的银河系卫星星系群一致的前提下，衰变暗物质粒子的最大允许寿命是多少？
• RQ2 赋予次级暗物质粒子的反冲速度如何影响低质量次晕的生存？
• RQ3 观测偏倚和星系-晕关联的不确定性在多大程度上影响对DDM的约束？
• RQ4 为缓解哈勃张力和S8张力而提出的DDM模型是否可被小尺度结构观测所排除？
• RQ5 与大尺度结构和膨胀历史探测相比，银河系卫星的约束结果如何？

主要发现

• 本研究在95%置信水平下，排除了反冲速度Vkick = 20 km s⁻¹时寿命τ < 18 Gyr的DDM模型。
• 对于更高的反冲速度40 km s⁻¹，约束进一步收紧至τ < 29 Gyr（95%置信水平）。
• 这些约束是目前基于小尺度结构对衰变暗物质粒子寿命最紧的限制之一。
• 结果强烈质疑了为缓解哈勃张力和S8张力而提出的DDM模型，因为这些模型通常要求寿命低于被排除的范围。
• 正向建模方法成功考虑了观测不完整性、星系-晕关联不确定性以及潮汐破坏，显著增强了约束的稳健性。
• 研究结果表明，银河系卫星星系数目为DDM物理提供了强大且互补的探测手段，与大尺度结构和膨胀历史探测形成有效互补。