次世代分光観測で拓く暗黒物質探査の新展開

• 研究領域: なぜ宇宙は加速するのか? - 徹底的究明と将来への挑戦 -
• 研究課題/領域番号: 16H01090
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 国立天文台 (2017); 東京大学 (2016)
• 研究代表者: 林 航平 国立天文台, 先端技術センター, 特任研究員 (20771207)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Stellar Stream and Halo Structure in the Andromeda Galaxy from a Subaru/Hyper Suprime-Cam Survey (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 853 号: 1 ページ: 29-51
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaa129
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: D.Homma, M.Chiba, S. Okamoto, Y.Komiyama,M.Tanaka, M.Ishigaki, K.Hayashi, N.Arimoto et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: SP1 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1093/pasj/psx050
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Universal Dark Halo Scaling Relation for the Dwarf Spheroidal Satellites (2017)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Kohei、Ishiyama Tomoaki、Ogiya Go、Chiba Masashi、Inoue Shigeki、Mori Masao
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 843 号: 2 ページ: 97-97
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa74d9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of axisymmetric mass models for dwarf spheroidal galaxies on indirect dark matter searches (2017)
  • 著者名/発表者名: Niki Klop、Fabio Zandanel、Kohei Hayashi、Shin'ichiro Ando
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 95 ページ: 1-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Foreground effect on the J-factor estimation of classical dwarf spheroidal galaxies (2017)
  • 著者名/発表者名: Koji Ichikawa, Miho N. Ishigaki, Shigeki Matsumoto, Masahiro Ibe, Hajime Sugai, Kohei Hayashi and Shun-ichi Horigome
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 印刷中
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dark matter annihilation and decay from non-spherical dark halos in galactic dwarf satellites (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hayashi, Koji Ichikawa, Shigeki Matsumoto, Masahiro Ibe, Miho N. Ishigaki, Hajime Sugai
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 461 号: 3 ページ: 2914-2928
  • DOI: 10.1093/mnras/stw1457
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Robust J-factor estimation of ultra faint dwarf galaxies (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Symposium for Grant- in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Why does the Universe accelerate? -Exhaustive study and challenge for the future)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本天文学会２０１８年春季学会
• [学会発表] Dark halo structure in Carina dwarf spheroidal galaxy: Joint analysis of multiple stellar components (2018)
  • 著者名/発表者名: 林航平
  • 学会等名: 日本天文学会２０１８年春季学会
• [学会発表] Robust estimate of dark halo in the Galactic dwarf spheroidal galaxies (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hayashi
  • 学会等名: 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-」
  • 発表場所: 高エネルギー加速器研究機構, 茨城県つくば市
  • 年月日: 2017-03-08
• [学会発表] Feasibility study and survey simulation for GA targets (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hayashi
  • 学会等名: The PFS 9th General Collaboration Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Chemo-dynamical simulations of dwarf galaxies (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hayashi
  • 学会等名: Workshop for Stellar Evolution, Supernova and Nucleosynthesis Across Cosmic Time
  • 国際学会
• [学会発表] 矮小銀河ダークマターハローの普遍的性質 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林航平、石山智明、扇谷豪、千葉柾司、井上茂樹、森正夫
  • 学会等名: 日本天文学会２０１７年秋季学会
• [学会発表] ダークハロー平均面密度の進化と起源 (2016)
  • 著者名/発表者名: 林 航平
  • 学会等名: 第２９回理論懇シンポジウム
  • 発表場所: 東北大学, 宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-12-20
• [学会発表] Updated feasibility study of field tiling and fiber allocation of GA survey (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hayashi
  • 学会等名: The PFS 8th General Collaboration meeting
  • 発表場所: Johns Hopkins University (Baltimore, US)
  • 年月日: 2016-12-12
  • 国際学会
• [学会発表] Feasibility study of field tiling and fiber allocation of GA survey (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hayashi
  • 学会等名: Prime Focus Spectrograph Science Working Group co-chair meeting
  • 発表場所: Princeton University (Princeton, US)
  • 年月日: 2016-09-08
  • 国際学会
• [学会発表] Dark matter annihilation from non-spherical dark halos in the dwarf galaxies (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hayashi
  • 学会等名: European Week of Astronomy and Space Science
  • 発表場所: Eugenides Foundation (Athens, Greece)
  • 年月日: 2016-07-04
  • 国際学会 / 招待講演