[论文解读] SHARP -- VII. New constraints on warm dark matter free-streaming properties and substructure abundance from flux-ratio anomalous lensed quasars

Jen-Wei Hsueh, Wolfgang Enzi+6 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用 9

一句话总结

本研究利用包含视线方向晕、恒星盘和明亮卫星的先进强引力透镜模型，分析了七个强引力透镜类星体，以约束暗物质性质。在冷暗物质（CDM）框架下，得到的次结构质量分数为 $ f_{\text{sub}} = 0.011^{+0.007}_{-0.005} $，并为温暗物质设定了 $ m_{\text{wdm}} > 3.8 \, \text{keV} $ 的下限，该结果与Ly$\alpha$森林约束一致。

ABSTRACT

We present an analysis of seven strongly gravitationally lensed quasars and the corresponding constraints on the properties of dark matter. Our results are derived by modelling the lensed image positions and flux-ratios using a combination of smooth macro models and a population of low-mass haloes within the mass range $10^6$ to $10^9$ M$_\odot$. Our lens models explicitly include higher-order complexity in the form of stellar discs and luminous satellites, and low-mass haloes located along the observed lines of sight for the first time. Assuming a Cold Dark Matter (CDM) cosmology, we infer an average total mass fraction in substructure of $f_{ m sub} = 0.011^{+0.007}_{-0.005}$ (68 per cent confidence limits), which is in agreement with the predictions from CDM hydrodynamical simulations to within 1$\sigma$. This result is significantly different when compared to previous studies that did not include line-of-sight haloes. Under the assumption of a thermal relic warm dark matter (WDM) model, we derive a lower limit on the particle relic mass of $m_{ m wdm} > 3.8$ keV (95 per cent confidence limits), which is consistent with a value of $m_{ m wdm} > 3.5$ keV from the recent analysis of the Ly$\alpha$ forest.

研究动机与目标

• 通过在引力透镜模型中包含视线方向上的低质量晕，以改进对暗物质次结构的约束。
• 检验强引力透镜类星体中观测到的通量比异常是否与冷暗物质（CDM）预测一致。
• 利用通量比异常和透镜数据推导温暗物质（WDM）粒子质量的限制。
• 评估恒星盘和明亮卫星等更高阶透镜效应对次结构推断的影响。

提出的方法

• 使用平滑宏观模型结合低质量晕（$ 10^6 $ 至 $ 10^9 \, M_\odot $）的群体，建模透镜图像位置和通量比。
• 首次在类似分析中纳入沿观测视线方向的晕。
• 引入恒星盘和明亮卫星以考虑更高阶的透镜效应。
• 使用贝叶斯推断推导次结构质量分数和WDM粒子质量的后验分布。
• 在CDM和热退耦温暗物质（thermal relic WDM）模型下比较结果，以获得约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 当在模型中包含视线方向晕时，从强引力透镜类星体的通量比异常中推断出的暗物质次结构总质量分数是多少？
• RQ2 推断出的次结构特性与CDM流体动力学模拟的预测相比如何？
• RQ3 利用此透镜数据，可以对温暗物质粒子退耦质量设定多低的下限？
• RQ4 引入恒星盘和明亮卫星如何影响推断出的次结构参数？

主要发现

• 在68%置信水平下，推断出的次结构质量分数为 $ f_{\text{sub}} = 0.011^{+0.007}_{-0.005} $，与CDM模拟结果在1$\sigma$范围内一致。
• 与以往忽略视线方向晕的研究相比，纳入视线方向晕后结果显著不同。
• 在热退耦温暗物质模型下，95%置信水平下得到的下限为 $ m_{\text{wdm}} > 3.8 \, \text{keV} $。
• 该WDM下限与近期Ly$\alpha$森林约束 $ m_{\text{wdm}} > 3.5 \, \text{keV} $ 一致。