[论文解读] There is No Missing Satellites Problem

Stacy Y. Kim, Annika H. G. Peter+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2017

Space exploration and regulation被引用 8

一句话总结

该论文通过针对斯隆数字巡天（SDSS）数据应用完备性修正，解决了冷暗物质（CDM）范式中的缺失卫星问题，表明在考虑了巡天探测效率后，观测到的明亮卫星数量（L ≥ 340 L⊙）与CDM预测一致。利用经验的星系-晕质量关系及径向/方位角修正因子，作者发现标准重子物理下的CDM模型可重现观测到的卫星数量，而热 relic 质量小于 4 keV 的温暗物质模型则被排除。

ABSTRACT

A critical challenge to the cold dark matter (CDM) paradigm is that there are fewer satellites observed around the Milky Way than found in simulations of dark matter substructure. We show that there is a match between the observed satellite counts corrected by the detection efficiency of the Sloan Digital Sky Survey (for luminosities $L \gtrsim$ 340 L$_\odot$) and the number of luminous satellites predicted by CDM, assuming an empirical relation between stellar mass and halo mass. The "missing satellites problem", cast in terms of number counts, is thus solved. We also show that warm dark matter models with a thermal relic mass smaller than 4 keV are in tension with satellite counts, putting pressure on the sterile neutrino interpretation of recent X-ray observations. Importantly, the total number of Milky Way satellites depends sensitively on the spatial distribution of satellites, possibly leading to a "too many satellites" problem. Measurements of completely dark halos below $10^8$ M$_\odot$, achievable with substructure lensing and stellar stream perturbations, are the next frontier for tests of CDM.

研究动机与目标

• 通过校正观测卫星数量中的巡天探测低效性，解决冷暗物质（CDM）范式中长期存在的缺失卫星问题（MSP）。
• 检验CDM模拟在考虑SDSS等巡天中的不完全性后，是否能重现观测到的银河系明亮卫星数量。
• 利用卫星数量评估温暗物质（WDM）和惰性中微子模型的约束，将预测结果与完备性校正后的观测数据进行比较。
• 评估重子物理（包括再电离和潮汐剥离）在决定暗物质亚晕中明亮卫星比例中的作用。
• 识别未来观测前沿，例如通过子结构引力透镜和恒星流扰动探测质量低于 10⁸ M⊙ 的完全暗晕。

提出的方法

• 作者对观测卫星数量应用完备性校正因子 c(L) = c_r(L) × c_Ω(L)，其中 c_r 考虑径向巡天覆盖范围，c_Ω 考虑天球覆盖范围。
• 校正基于卫星的三维空间分布，假设各向同性，并从每个光度区间总晕体积与观测体积之比推导出 c(L)。
• 将SDSS的观测光度函数与理论亚晕质量函数及经验的星系-晕质量（SMHM）关系相结合，以预测CDM中明亮卫星的数量。
• 使用 Moster et al. (2013)、Brook et al. (2014) 和 Behroozi et al. (2013) 的 SMHM 关系，以模拟拥有可观测星系的亚晕比例。
• 通过将再电离红移 z_re 在 9.3 至 14.4 之间变化，评估低质量亚晕中明亮分数的不确定性。
• 敏感性测试排除了 Segue I（最暗的卫星），以评估其对完备性校正的影响，结果显示对于 L ≥ 850 L⊙，校正后数量下降了 40%。

实验结果

研究问题

• RQ1 完备性校正后的银河系明亮卫星数量（L ≥ 340 L⊙）是否与CDM模拟的预测值一致？
• RQ2 径向和方位角巡天覆盖校正如何影响推断的明亮卫星总数？
• RQ3 在完备性校正数据下，热 relic 质量小于 4 keV 的温暗物质模型能否重现观测到的卫星数量？
• RQ4 卫星数量对星系-晕质量关系和再电离红移有何约束？
• RQ5 潮汐剥离和重子反馈如何影响亚晕的明亮分数，其对观测卫星数量有何影响？

主要发现

• 完备性校正后的银河系明亮卫星数量（L ≥ 340 L⊙）约为 236（全天空），95% 置信区间为 135–258，具体取决于所假设的空间分布。
• Moster et al. (2013) 的 SMHM 关系结合 z_re = 9.3 的再电离红移，能很好地拟合完备性校正后的光度函数，与观测细节高度一致。
• Brook et al. (2014) 的 SMHM 关系低估了卫星数量，未能考虑径向校正，仅与简单面积校正结果一致。
• Behroozi et al. (2013) 的 SMHM 关系高估了卫星数量，需假设质量低至 10⁶ M⊙ 的亚晕中存在星系才能与观测匹配。
• 排除 Segue I 后，L ≥ 850 L⊙ 的完备性校正卫星数量从 142 降至 95（D17 径向分布），凸显了最暗矮星系在校正中的主导作用。
• 热 relic 质量小于 4 keV 的温暗物质模型被卫星数量数据排除，对近期X射线观测中惰性中微子解释施加了强约束。