[论文解读] The Misalignments between Matter and Galaxy Distributions in Triaxial Clusters: A Signature of a Possible Fifth Force?

Jounghun Lee|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文研究了三轴星系团中暗物质与星系分布之间的错位现象，发现强烈的观测证据与$Λ$CDM预测不一致。通过自助抽样和广义$\chi^2$统计方法，该研究在99%置信水平下否定了$Λ$CDM假设，表明暗能量-暗物质耦合可能引发的局部第五种力或可解释观测到的错位现象。

ABSTRACT

The standard structure formation model based on a LCDM cosmology predicts that the galaxy clusters have triaxial shapes and that the cluster galaxies have a strong tendency to be located preferentially along the major axes of host cluster's dark matter distributions due to the gravitational tidal effect. The predicted correlations between dark matter and galaxy distributions in triaxial clusters are insensitive to the initial cosmological parameters and to the galaxy bias, and thus can provide a unique test-bed for the nonlinear structure formation of the LCDM cosmology. Recently, Oguri et al. determined robustly the dark matter distributions in the galaxy clusters using the two dimensional weak lensing shear fitting and showed that the orientations of the cluster galaxy distributions are only very weakly correlated with those of the underlying dark matter distributions determined robustly, which is in contrast to with the LCDM-based prediction. We reanalyze and compare quantitatively the observational result with the LCDM-based prediction from the Millennium Run simulation with the help of the bootstrap resampling and generalized chi^{2}-statistics. The hypothesis that the observational result is consistent with the LCDM-based prediction is ruled out at the 99% confidence level. A local fifth force induced by a non-minimal coupling between dark energy and dark matter might be responsible for the observed misalignments between dark matter and galaxy distributions in triaxial clusters.

研究动机与目标

• 检验三轴星系团中星系与暗物质分布之间观测到的错位是否与$Λ$CDM预测一致。
• 探究该差异是否源于半分析星系形成模型的局限性，或源于新物理。
• 探讨是否存在由暗能量与暗物质非最小耦合引发的局部第五种力，从而解释观测到的错位现象。
• 利用星系团尺度结构提供一种新的暗 sector 相互作用观测检验方法。

提出的方法

• 利用Oguri等人（2010年）的弱引力透镜剪切拟合方法，稳健地确定星系团中的暗物质分布。
• 从红移范围$0.1 < z < 0.3$的观测数据中提取星系和暗物质分布的投影主轴方向。
• 通过自助抽样估计不确定性，将观测到的错位统计量与Millennium Run模拟的预测结果进行比较。
• 应用广义$\chi^2$统计方法，定量评估观测结果与$Λ$CDM模型之间差异的统计显著性。
• 在模拟中使用光度加权星系分布，以最小化选择偏差，更好地匹配观测条件。
• 评估结果对宇宙学参数变化和红移演化变化的鲁棒性，指出更高红移时$Λ$CDM预测的对齐程度更强，进一步削弱$Λ$CDM的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 三轴星系团中星系与暗物质分布之间的观测错位在统计上是否与$Λ$CDM预测一致？
• RQ2 该差异是否可归因于选择效应或半分析星系形成模型的局限性？
• RQ3 观测到的错位是否暗示存在由暗能量与暗物质非最小耦合介导的局部第五种力？
• RQ4 能否通过星系团尺度的错位测量约束此类第五种力的强度与作用范围？
• RQ5 在星系团环境中，引入第五种力如何改变暗物质与星系分布之间的预期对齐程度？

主要发现

• 在99%置信水平下，否定了观测错位与$Λ$CDM预测一致的假设。
• 观测到的星系与暗物质分布主轴方向之间的相关性显著弱于$Λ$CDM模型的预测。
• 即使考虑更高红移情况，该差异依然存在，而$Λ$CDM在高红移时预测对齐程度更强。
• 结果对选择偏差具有鲁棒性，因为在模拟中使用了光度加权星系分布以匹配观测条件。
• 研究结果表明，由暗能量与暗物质非最小耦合引发的局部第五种力，可能解释观测到的错位现象。
• 本研究提出，星系团尺度的错位现象或可作为检验暗 sector 相互作用的新观测探针。