[论文解读] Offsets between member galaxies and dark matter in clusters: a test with the Illustris simulation

Karen Ng, Annalisa Pillepich+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究利用Illustris $λ$CDM模拟检验了在并合星系团中观测到的星系-暗物质偏移是否可仅由$λ$CDM物理机制解释。结果表明，星系峰值估计中的统计噪声和系统性偏差（尤其是中心星系BCG和光度核密度带宽估计KDE）可产生高达160 kpc的偏移，挑战了将大偏移视为自相互作用暗物质（SIDM）证据的解释。

ABSTRACT

Dark matter with a non-zero self-interacting cross section ($σ_{ m SIDM}$) has been posited as a solution to a number of outstanding astrophysical mysteries. Many studies of merging galaxy clusters have given constraints on $σ_{ m SIDM}$ based on the spatial offset between the member galaxy population and the dark matter distribution. Assuming $σ_{ m SIDM} = 0$, how likely is it for us to see the galaxy-DM offset values observed in merging clusters of galaxies? To answer this question, we formulate a hypothesis test using data from Illustris, a $Λ$CDM cosmological simulation. We select 43 Illustris clusters and their galaxy members at z~0 and examine the accuracy of commonly used galaxy summary statistics, including kernel-density-estimation (KDE) luminosity peak, KDE number density peak, shrinking aperture, centroid and the location of the brightest cluster galaxy (BCG). We use the dark-matter particles to reproduce commonly adopted methods to identify dark-matter peaks based on gravitational lensing cluster maps. By analysing each cluster in 768 projections, we determine the optimistic noise floor in the measurements of the galaxy-DM offsets. We find that the choice of the galaxy summary statistics affects the inferred offset values substantially, with the BCG and the luminosity peak giving the tightest 68-th percentile offset levels, $\lesssim$ 4 kpc and $\lesssim$ 32 kpc, respectively. Shrinking aperture, number density and centroid give a large offset scatter of about 50-100 kpc at the 68-th percentile level, even for clusters with only one dominant mass component. Out of the 15 reported offsets from observed merging clusters that we examined, 13 of them are consistent with Illustris unrelaxed cluster offsets at the 2-sigma (95-th percentile) level, i.e. consistent with the hypothesis that $Λ$CDM is the true underlying physical model.

研究动机与目标

• 评估在不引入自相互作用暗物质（SIDM）的情况下，$λ$CDM是否能解释并合星系团中观测到的星系-暗物质偏移。
• 量化在$λ$CDM下不同星系峰值估计方法（如BCG、KDE、质心）的系统性不确定性。
• 评估常用星系汇总统计量在测量星系-DM偏移时的可靠性。
• 确定在$λ$CDM理想观测条件下星系-DM偏移测量的噪声下限。
• 将模拟的$λ$CDM偏移与15个并合星系团的观测偏移进行比较，检验其与$λ$CDM的一致性。

提出的方法

• 选取43个红移$z \sim 0$的Illustris星系团，并模拟观测选择以识别成员星系。
• 利用virial参数$\nu$量化星系团的弛豫程度，以区分弛豫系统（$\nu < 1.2$）与非弛豫系统（$1.2 < \nu < 2.2$）。
• 应用多种星系汇总统计量：BCG、光度的核密度估计（KDE）、数密度、收缩孔径法及质心。
• 使用标准方法从模拟的弱引力透镜图中重建暗物质峰值，以推断DM位置。
• 将每个星系团在768个方向上投影，以评估视线方向效应并测量偏移分布。
• 执行假设检验，将15个并合星系团的观测偏移与模拟的$λ$CDM偏移分布进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不引入自相互作用暗物质的情况下，$λ$CDM能否解释并合星系团中观测到的星系-DM偏移？
• RQ2 不同星系峰值估计方法如何影响$λ$CDM中测量的星系-DM偏移？
• RQ3 $λ$CDM中星系-DM偏移测量的本征离散度与噪声下限是多少？
• RQ4 次结构与投影效应如何影响偏移分布，尤其是对BCG的影响？
• RQ5 观测并合星系团中报告的偏移在统计上是否与$λ$CDM预测一致？

主要发现

• BCG在非弛豫星系团（$1.2 < \nu < 2.2$）中与暗物质峰值的68百分位偏移最紧密，小于4 kpc。
• 尽管BCG中心峰值紧密，但受投影效应和次结构影响，其偏移存在5%的尾部分布超过160 kpc。
• KDE光度峰值给出第二紧密的偏移，68百分位偏移小于32 kpc，99百分位尾部分布小于124 kpc。
• 收缩孔径法、数密度法和质心法表现出较大离散度，即使在仅存在一个主导质量组分的星系团中，其68百分位偏移也达~50–100 kpc。
• 在15个观测到的并合星系团偏移中，13个在2-标准差（95百分位）水平上与$λ$CDM偏移分布一致。
• 在$λ$CDM中，偏移测量的统计不确定性在量级上与最大SIDM偏移信号（小于50 kpc）相当，限制了基于偏移的SIDM约束灵敏度。