Comprehensive study of dynamical structures in the Galactic dwarf galaxies and shedding light on the nature of dark matter

• Project Area: What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter
• Project/Area Number: 21H05447
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Ichinoseki National College of Technology
• Principal Investigator: 林 航平 一関工業高等専門学校, その他部局等, 講師 (20771207)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 暗黒物質 / 銀河系矮小銀河 / すばる望遠鏡 / ダークマター / 銀河動力学

Outline of Research at the Start

ダークマターは現在の宇宙を形作る上で必要不可欠な物質だが、その正体は謎に包まれたままである。この未知の物質の正体を解明するため、ダークマターの性質を捉えることができる矮小銀河のダークマター密度分布決定に着目する。ダークマター密度分布は、矮小銀河の星の空間及び運動データの解析を介して決定が可能である。すばる望遠鏡の超広視野多天体分光器によって、これまでにない高統計量のデータを得られ、密度分布決定への機運が高まっている。本研究ではこのデータに対してダークマター密度分布の高精度決定が可能な解析モデルを構築する。本研究の成果は天文学のみならず素粒子理論や実験など幅広い研究領域に大きく貢献できる。

Outline of Annual Research Achievements

ダークマターは宇宙の物質密度の８割を占めており、この正体を解明することが現代物理学の最大の課題である。ダークマターの候補となるモデルは様々提唱されているが、いくつかのモデルは銀河スケールにおけるダークマター密度分布に大きな影響を与えることが知られている。特に矮小銀河におけるダークマター密度分布は、モデルに依ってその中心構造が大きく異なることが理論予言されており、その密度分布の正確かつ詳細な理解がダークマター正体解明への鍵となる。
ダークマター密度分布と速度分散非等方性の縮退は、矮小銀河ダークマター密度分布決定の主な不定性となっている。この縮退を解くため、速度分散非等方性に敏感である視線速度分布の高次モーメントを考慮した動力学解析モデルの構築を行った。具体的にはジーンズ方程式に基づいて視線速度の分散と尖度を理論計算し、実際の観測から得られるそれらと比較した。本年度では銀河系矮小楕円体銀河の観測データに適用し解析を行ったところ、速度分散非等方性の決定精度が向上し、先に述べた縮退が弱くなることが明らかになった。本研究結果は、現在論文にまとめている段階である。
一方、すばるPFSでの観測に向けた模擬データ作成と動力学解析では、これまで矮小銀河以外の星の影響を考慮していた。本年度は、それ加えて矮小銀河に存在する連星系の視線速度分布への影響や潮汐効果の動力学解析への影響も考慮した模擬解析を行った。具体的には、連星系の恒星質量や軌道周期をモデル化することで、連星系の視線速度分布を計算した。潮汐効果に関しては、それを考慮した高解像度銀河形成シミュレーションの結果を用いる。これらによって、より現実に近い観測データの作成が可能になった。
今後は、このデータに対して構築した動力学解析モデルを適用し、すばるPFSによって矮小銀河のダークマター密度分布の高精度決定が可能になることを示していく。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ジョンズ・ホプキンス大学/ノートルダム大学/プリンストン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] マックス・プランク宇宙物理学研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 中国科学院国家天文台(中国)
• [Int'l Joint Research] カリフォルニア工科大学/ジョンズ・ホプキンス大学/カリフォルニア大学ロサンゼルス校(米国)
• [Int'l Joint Research] マックス・プランク宇宙物理学研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 中国科学院国家天文台(中国)
• [Journal Article] Multiwavelength study of the galactic PeVatron candidate LHAASO J2108+5157 (2023)
  • Author(s): Project CTA-LST、Jurysek J.、Balbo M.、Eckert D.、Tramacere A.、et al.
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: - Pages: A75-A75
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202245086
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] EMPRESS. VIII. A New Determination of Primordial He Abundance with Extremely Metal-poor Galaxies: A Suggestion of the Lepton Asymmetry and Implications for the Hubble Tension (2022)
  • Author(s): Matsumoto Akinori、Ouchi Masami、Nakajima Kimihiko、Kawasaki Masahiro、Murai Kai、 et al
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 941 Issue: 2 Pages: 167-167
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac9ea1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Missing Satellite Problem outside of the Local Group. II. Statistical Properties of Satellites of Milky Way-like Galaxies (2022)
  • Author(s): Nashimoto Masashi、Tanaka Masayuki、Chiba Masashi、Hayashi Kohei、Komiyama Yutaka、Okamoto Takashi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 936 Issue: 1 Pages: 38-38
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac83a4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] EMPRESS. IX. Extremely Metal-Poor Galaxies are Very Gas-Rich Dispersion-Dominated Systems: Will JWST Witness Gaseous Turbulent High-z Primordial Galaxies? (2022)
  • Author(s): Yuki Isobe, Masami Ouchi, Kimihiko Nakajima, et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [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] Interstellar gas heating by primordial black holes (2022)
  • Author(s): Takhistov Volodymyr、Lu Philip、Gelmini Graciela B.、Hayashi Kohei、Inoue Yoshiyuki、Kusenko Alexander
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2022 Issue: 03 Pages: 017-017
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2022/03/017
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The diversity of core?halo structure in the fuzzy dark matter model (2022)
  • Author(s): Chan Hei Yin Jowett、Ferreira Elisa G M、May Simon、Hayashi Kohei、Chiba Masashi
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 511 Issue: 1 Pages: 943-952
  • DOI: 10.1093/mnras/stac063
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Narrowing the Mass Range of Fuzzy Dark Matter with Ultrafaint Dwarfs (2021)
  • Author(s): Hayashi Kohei、Ferreira Elisa G. M.、Chan Hei Yin Jowett
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 912 Issue: 1 Pages: L3-L3
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abf501
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Arecibo 327 MHz Search for Radio Pulsars and Bursts in the Dwarf Irregular Galaxies Leo A and T (2021)
  • Author(s): Crawford Fronefield、Hayashi Kohei
  • Journal Title: Research Notes of the AAS Volume: 5 Issue: 6 Pages: 146-146
  • DOI: 10.3847/2515-5172/ac0c1d
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] EMPRESS. III. Morphology, Stellar Population, and Dynamics of Extremely Metal-poor Galaxies (EMPGs): Are EMPGs Local Analogs of High-z Young Galaxies?* (2021)
  • Author(s): Isobe Yuki、Ouchi Masami、Kojima Takashi、Shibuya Takatoshi、Hayashi Kohei、Rauch Michael、Kikuchihara Shotaro、Zhang Haibin、Ono Yoshiaki、Fujimoto Seiji、Harikane Yuichi、Kim Ji Hoon、Komiyama Yutaka、Kusakabe Haruka、Lee Chien-Hsiu、Mawatari Ken、Onodera Masato、Sugahara Yuma、Yabe Kiyoto
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 918 Issue: 2 Pages: 54-54
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac05bf
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Revealing mass distributions of dwarf spheroidal galaxies in the Subaru-PFS era (2023)
  • Author(s): 林航平
  • Organizer: IAUS379: Dynamical Masses of Local Group Galaxies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dark matter in the Galactic dwarf satellites (2023)
  • Author(s): 林航平
  • Organizer: What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dark matter distributions of the Milky Way and its satellites (2022)
  • Author(s): 林航平
  • Organizer: The 2nd DMNet International Symposium: Direct and Indirect Detection of Dark Matter
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Comprehensive study of dynamical structures in the Galactic dwarf galaxies by Subaru and shedding light on the nature of dark matter (2022)
  • Author(s): 林航平
  • Organizer: FY2021 学術変革領域研究「ダークマター」シンポジウム
• [Presentation] PFS prospects for measuring dark matter distributions in the Galactic dwarf galaxies (2022)
  • Author(s): Kohei Hayashi
  • Organizer: PFS 13th collaboration meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 近傍宇宙論：矮小銀河暗黒物質研究の現状と将来展望 (2021)
  • Author(s): 林航平
  • Organizer: 第34回理論懇シンポジウム「挑戦的アイデアで広げる宇宙物理の可能性」
  • Invited
• [Presentation] 超低輝度矮小銀河を用いたFuzzy Dark Matter理論への制限 (2021)
  • Author(s): 林航平
  • Organizer: 日本天文学会2021年秋季年会
• [Remarks] 衛星銀河観測で見えてきた、天の川銀河の普遍性と特異性
  • URL: https://subarutelescope.org/jp/results/2022/08/30/3084.html
• [Funded Workshop] KASHIWA DARK MATTER SYMPOSIUM 2022 (2022)
• [Funded Workshop] KASHIWA DARK MATTER SYMPOSIUM 2021 (2021)