高解像度シミュレーションを用いた暗黒物質分布の精密評価

• Project Area: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics
• Project/Area Number: 20H05245
• 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: Chiba University
• Principal Investigator: 石山 智明 千葉大学, 統合情報センター, 准教授 (90616426)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 暗黒物質 / 高性能計算 / 宇宙物理 / 銀河系 / 理論天文学

Outline of Research at the Start

最近応募者らは、銀河サイズの暗黒物質ハロー内に存在するサブハローの中心密度が、同質量の孤立したハローに比べて優位に高いことと、暗黒物質が冷たいモデルに比べて暖かいモデルと自己相互作用するモデルで優位に低いことを発見した。本研究ではこの結果を発展させ、様々な暗黒物質モデルを採用した大規模な高解像度宇宙論的構造形成シミュレーションを行い、銀河ハローにおけるサブハローの個数、空間分布、内部構造やその進化史を定量化する。太陽系近傍の暗黒物質分布を精密に評価し、暗黒物質モデルによる違いやその物理的起源を明らかにする。そしてモデルごとに暗黒物質検出実験のための理論的な予言を行う。

Outline of Annual Research Achievements

(1) 2020年度に主に進めた、暗黒物質の自己相互作用を考慮した高分解能宇宙論的構造形成シミュレーションを用いた、銀河系スケールのハローに存在する小スケールサブハローの構造に関する研究成果をまとめた結果が PhysicalReview D 誌に査読付欧文論文として出版された。
(2) 冷たい暗黒物質モデルに基づいた大規模宇宙論的構造形成シミュレーションを解析し、サブハローの構造、分布、存在量を詳細に調べた。サブハローとホストハローの質量比7桁以上にわたって、サブハローの性質がその質量や最大円速度、そしてホストハローの質量やホストハロー中心までの距離にどのように依存するかを初めて定量的に明らかにし、さまざまなフィッティングモデルを構築した。このモデルは暗黒物質ハローのサブハローを含む将来の研究において精密な研究を可能にする。結果をまとめた論文を Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 誌に投稿した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] アムステルダム大学(オランダ)
• [Journal Article] Constraining self-interacting dark matter with dwarf spheroidal galaxies and high-resolution cosmological N-body simulations (2022)
  • Author(s): Ebisu Toshihiro、Ishiyama Tomoaki、Hayashi Kohei
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 105 Issue: 2 Pages: 023016-023016
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.023016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Virial Halo Mass Function in the Planck Cosmology (2021)
  • Author(s): Shirasaki Masato、Ishiyama Tomoaki、Ando Shin’ichiro
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 922 Issue: 1 Pages: 89-89
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac214b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] High resolution cosmological simulations for cold and self-interacting dark matter halos (2021)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki, Ebisu Toshihiro, Hayashi Kohei
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」領域研究会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高分解能宇宙論的シミュレーションを用いた、ダークマター自己相互作用モデルの制限 (2021)
  • Author(s): Ebisu Toshihiro, Ishiyama Tomoaki, Hayashi Kohei
  • Organizer: 日本天文学会2021秋季年会
• [Presentation] 高解像度シミュレーションを用いた暗黒物質分布の精密評価 (2020)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」領域研究会
  • Invited
• [Presentation] ダークマターの自己相互作用を考慮した宇宙の構造形成シミュレーション (2020)
  • Author(s): Ebisu Toshihiro, Ishiyama Tomoaki
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」領域研究会
• [Presentation] The Uchuu simulations: Data release 1 and Dark Matter Halo Concentrations (2020)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki, Prada Francisco, Klypin Anatoly, the Uchuu collaboration
  • Organizer: 観測的宇宙論ワークショップ