次世代分光観測で拓く暗黒物質探査の新展開

• Project Area: Why does the Universe accelerate? - Exhaustive study and challenge for the future -
• Project/Area Number: 16H01090
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan (2017); The University of Tokyo (2016)
• Principal Investigator: 林 航平 国立天文台, 先端技術センター, 特任研究員 (20771207)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2017: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 暗黒物質 / 素粒子論 / 銀河系 / 矮小銀河 / 銀河動力学 / 宇宙物理 / 宇宙線 / 天文

Outline of Annual Research Achievements

本年度では、銀河系ハロー星のコンタミネーションを統計的に考慮した動力学解析手法を球対称質量分布から非球対称質量分布に拡張したモデルの構築と、そのモデルを実際の観測データに適用し矮小銀河暗黒物質分布の制限、そして次世代分光装置であるすばるPFSを想定した暗黒物質分布の決定精度の評価を主に行ってきた。
軸対称質量分布モデルとハロー星コンタミネーションを考慮した動力学解析手法を構築する際、これまでの研究では暗黒物質分布の形が外側で半径に対してマイナス３乗で変化するように冪を固定した制限的な分布を仮定していた。そこで本研究では、暗黒物質分布の内側の冪、外側の冪、そして内側から外側の冪への遷移の滑らかさをパラメータとしたより自由度の高い暗黒物質分布モデルを採用した。これによってより詳細な暗黒物質分布の制限が可能になる。
この構築したモデルを分光観測のデータ数が豊富な明るい銀河系矮小銀河に適用して、暗黒物質分布の制限を行った。特にりゅう座矮小銀河とこぐま座矮小銀河の動力学解析と先行研究との比較を行い、どちらも先行研究の結果より暗黒物質が豊富である事がわかった。よって暗黒物質粒子の間接的検出実験に最も適した矮小銀河として、今後ガンマ線観測衛星での観測提案を行う予定である。また超低輝度矮小銀河も含めた他の矮小銀河について同様の解析を行い、矮小銀河暗黒物質分布への制限に対して包括的な動力学解析を行っていく。
次にすばるPFSを想定した暗黒物質分布の決定制度の評価を行うために、非球対称質量分布の模擬データを作成し、データ数によって暗黒物質分布の決定精度がどの程度改善されるかを調べた。PFSで想定されるデータ数2500個と現在のデータ数500個を比較すると決定精度が50パーセント以上向上することがわかった。よってPFSを用いた矮小銀河観測の重要性を示すことが出来た。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Stellar Stream and Halo Structure in the Andromeda Galaxy from a Subaru/Hyper Suprime-Cam Survey (2018)
  • Author(s): Komiyama, Yutaka; Chiba, Masashi; Tanaka, Mikito; Tanaka, Masayuki; Kirihara, Takanobu; Miki, Yohei; Mori, Masao; Lupton, Robert H.; Guhathakurta, Puragra; Kalirai, Jason S.; Gilbert, Karoline; Kirby, Evan; Lee, Myun Gyoon; Jang, In Sung; Sharma, Sanjib; Hayashi, Kohei
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 853 Issue: 1 Pages: 29-51
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaa129
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Searches for New Milky Way Satellites from the First Two Years of Data of the Subaru/Hyper Suprime-Cam Survey: Discovery of Cetus~III (2018)
  • Author(s): D.Homma, M.Chiba, S. Okamoto, Y.Komiyama,M.Tanaka, M.Ishigaki, K.Hayashi, N.Arimoto et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Issue: SP1 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1093/pasj/psx050
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Universal Dark Halo Scaling Relation for the Dwarf Spheroidal Satellites (2017)
  • Author(s): Hayashi Kohei、Ishiyama Tomoaki、Ogiya Go、Chiba Masashi、Inoue Shigeki、Mori Masao
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 843 Issue: 2 Pages: 97-97
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa74d9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact of axisymmetric mass models for dwarf spheroidal galaxies on indirect dark matter searches (2017)
  • Author(s): Niki Klop、Fabio Zandanel、Kohei Hayashi、Shin'ichiro Ando
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 95 Pages: 1-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Foreground effect on the J-factor estimation of classical dwarf spheroidal galaxies (2017)
  • Author(s): Koji Ichikawa, Miho N. Ishigaki, Shigeki Matsumoto, Masahiro Ibe, Hajime Sugai, Kohei Hayashi and Shun-ichi Horigome
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dark matter annihilation and decay from non-spherical dark halos in galactic dwarf satellites (2016)
  • Author(s): Kohei Hayashi, Koji Ichikawa, Shigeki Matsumoto, Masahiro Ibe, Miho N. Ishigaki, Hajime Sugai
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 461 Issue: 3 Pages: 2914-2928
  • DOI: 10.1093/mnras/stw1457
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Robust J-factor estimation of ultra faint dwarf galaxies (2018)
  • Author(s): 林航平、市川幸史、堀米俊一、松本重貴、伊部昌宏、石垣美歩、菅井肇
  • Organizer: Symposium for Grant- in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Why does the Universe accelerate? -Exhaustive study and challenge for the future)
• [Presentation] すばるPFSによる銀河系矮小銀河観測を用いた暗黒物質ハロー構造の精密測定 (2018)
  • Author(s): 林航平、石垣美歩、矢部清人、小宮山裕、千葉柾司、Judith Cohen、Rosemary Wyse、Evan Kirby and PFS/GA team
  • Organizer: 日本天文学会２０１８年春季学会
• [Presentation] Dark halo structure in Carina dwarf spheroidal galaxy: Joint analysis of multiple stellar components (2018)
  • Author(s): 林航平
  • Organizer: 日本天文学会２０１８年春季学会
• [Presentation] Robust estimate of dark halo in the Galactic dwarf spheroidal galaxies (2017)
  • Author(s): Kohei Hayashi
  • Organizer: 新学術領域シンポジウム「なぜ宇宙は加速するのか？-徹底的究明と将来への挑戦-」
  • Place of Presentation: 高エネルギー加速器研究機構, 茨城県つくば市
  • Year and Date: 2017-03-08
• [Presentation] Feasibility study and survey simulation for GA targets (2017)
  • Author(s): Kohei Hayashi
  • Organizer: The PFS 9th General Collaboration Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemo-dynamical simulations of dwarf galaxies (2017)
  • Author(s): Kohei Hayashi
  • Organizer: Workshop for Stellar Evolution, Supernova and Nucleosynthesis Across Cosmic Time
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 矮小銀河ダークマターハローの普遍的性質 (2017)
  • Author(s): 林航平、石山智明、扇谷豪、千葉柾司、井上茂樹、森正夫
  • Organizer: 日本天文学会２０１７年秋季学会
• [Presentation] ダークハロー平均面密度の進化と起源 (2016)
  • Author(s): 林 航平
  • Organizer: 第２９回理論懇シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学, 宮城県仙台市
  • Year and Date: 2016-12-20
• [Presentation] Updated feasibility study of field tiling and fiber allocation of GA survey (2016)
  • Author(s): Kohei Hayashi
  • Organizer: The PFS 8th General Collaboration meeting
  • Place of Presentation: Johns Hopkins University (Baltimore, US)
  • Year and Date: 2016-12-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feasibility study of field tiling and fiber allocation of GA survey (2016)
  • Author(s): Kohei Hayashi
  • Organizer: Prime Focus Spectrograph Science Working Group co-chair meeting
  • Place of Presentation: Princeton University (Princeton, US)
  • Year and Date: 2016-09-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dark matter annihilation from non-spherical dark halos in the dwarf galaxies (2016)
  • Author(s): Kohei Hayashi
  • Organizer: European Week of Astronomy and Space Science
  • Place of Presentation: Eugenides Foundation (Athens, Greece)
  • Year and Date: 2016-07-04
  • Int'l Joint Research / Invited