銀河形成シミュレーションで迫るダークマターの正体

2016 年度 実績報告書

• 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: 16H01085
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 岡本 崇 北海道大学, 理学研究院, 助教 (50541893)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 銀河形成 / シミュレーション / ダークマター

研究実績の概要

ダークマターモデルによる天の川銀河の衛星銀河ハローの構造の違いを調べるために，50 Mpc comoving volume から天の川銀河のダークハローと同程度の質量のダークハローが形成される領域を同定し，その領域にだけ密度揺らぎの短波長成分を足すことで，大領域，高分解能の初期条件を生成した．次に，ダークマター同士の弾性衝突を許す self-interacting dark matter (SIDM) をシミュレーションコードに実装した．特に，観測的な制限を満たしつつ，衛星銀河のような矮小銀河で SIDM
の効果が大きく出るように Loeb & Weiner 2011 の衝突断面積がダークマター同士の相対速度に依存する SIDM も実装した．そして，通常のコールドダークマター (CDM) と SIDM を仮定して同一の初期条件を用いた宇宙論的 N 体シミュレーションを行い CDM と SIDM でのダークマターの性質にの違いによる，衛星銀河ハローの構造の違いを調べた．

また，ΛCDM を仮定した宇宙論的な銀河形成シミュレーションを行い， 早期型銀河の化学進化について調べた．その結果，巨大な早期型銀河の金属量とα元素の量は，一般的な銀河形成の枠組みでは説明が困難なことを指摘した．例えば，大質量の早期型銀河ほど大質量星が優先的に形成される，というようなことがあるとこの矛盾は解決できる．

これらのシミュレーションでは大質量星からの輻射の影響を簡単なモデルとして取り扱っているが，その効果を第一原理的に調べるために一次元旧対象の輻射流体シミュレーションを行った．その結果，ダストによる赤外光の多重散乱の効果は従来の銀河形成シミュレーションで仮定しているよりもずっと小さいことが判明した．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

1 年目に予定していた，初期条件の生成及び SIDM の実装を終えた．また CDM と SIDM でそれぞれ天の川銀河質量のダークマターハロー形成の宇宙論的 N 体シミュレーションを行い，ダークマターの性質の違いによる衛星銀河ハローの構造の違いについて調べた．今後，ガス冷却や，星形成，超新星爆発等のバリオンの効果を入れてダークマターの性質と銀河形成過程がそれぞれ衛星銀河ハローの構造の及ぼす影響を調べる準備は整った．

銀河形成過程についても，紫外背景放射と金属量を考慮した冷却関数，最新の星の進化モデルを用いたコア崩壊型超新星爆発とIa 型超新星爆発，AGB 星による，エネルギー・質量・金属の放出の実装を終えた．

今後の研究の推進方策

バリオンの効果を無視したとき，CDM と SIDM で衛星銀河ダークマターハローの構造に大きな違いが出ることが確認できた．しかし SIDM では CDM と比較してポテンシャルが浅くなるため CDM とSIDM で，衛星銀河の光度関数のような基本的な観測量を同等に再現するためには，CDM では SIDM より超新星爆発等のフィードバックの効果を弱める必要が出るだろう．その結果，CDM では強いフィードバックにより衛星銀河のダークマターハローの中心密度が下がる効果が SIDM より強く出ることが予想される．一方 SIMD はダークマター同士の散乱によりもともと衛星銀河のダークマターハローの中心密度が低くなっている．このダークマターの性質とバリオンの効果がどの程度縮退しているのか，どのような観測を行うことによってこの縮退を解いてダークマターの性質に制限を付けることができるのかを，宇宙論的な銀河形成シミュレーションを行って明らかにする．

研究成果

• [雑誌論文] The metal enrichment of passive galaxies in cosmological simulations of galaxy formation (2017)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, Takashi; Nagashima, Masahiro; Lacey, Cedric G.; Frenk, Carlos S.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 464 ページ: 4866-4874
  • DOI: 10.1093/mnras/stw2729
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Radiation feedback in dusty clouds (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishiki, Shohei; Okamoto, Takashi
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters 巻: 466 ページ: L123-L127
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slw253
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The New Numerical Galaxy Catalog (ν2GC): An updated semi-analytic model of galaxy and active galactic nucleus formation with large cosmological N-body simulations (2016)
  • 著者名/発表者名: Makiya, Ryu; Enoki, Motohiro; Ishiyama, Tomoaki; Kobayashi, Masakazu A. R.; Nagashima, Masahiro; Okamoto, Takashi; Okoshi, Katsuya; Oogi, Taira; Shirakata, Hikari
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 68 ページ: id.25 26 pp.
  • DOI: 10.1093/pasj/psw005
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Detection of an oxygen emission line from a high-redshift galaxy in the reionization epoch (2016)
  • 著者名/発表者名: Inoue, Akio K.; Tamura, Yoichi; Matsuo, Hiroshi; Mawatari, Ken; Shimizu, Ikkoh; Shibuya, Takatoshi; Ota, Kazuaki; Yoshida, Naoki; Zackrisson, Erik; Kashikawa, Nobunari; Kohno, Kotaro; Umehata, Hideki; Hatsukade, Bunyo; Iye, Masanori; Matsuda, Yuichi; Okamoto, Takashi; Yamaguchi, Yuki
  • 雑誌名: Science 巻: 352 ページ: 1559-1562
  • DOI: 10.1126/science.aaf07143
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Theoretical re-evaluations of the black hole mass-bulge mass relation - I. Effect of seed black hole mass (2016)
  • 著者名/発表者名: Shirakata, Hikari; Kawaguchi, Toshihiro; Okamoto, Takashi; Makiya, Ryu; Ishiyama, Tomoaki; Matsuoka, Yoshiki; Nagashima, Masahiro; Enoki, Motohiro; Oogi, Taira; Kobayashi, Masakazu A. R.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 461 ページ: 4389-4394
  • DOI: 10.1093/mnras/stw1798
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nebular line emission from z > 7 galaxies in a cosmological simulation: rest-frame UV to optical lines (2016)
  • 著者名/発表者名: Shimizu, Ikkoh; Inoue, Akio K.; Okamoto, Takashi; Yoshida, Naoki
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 461 ページ: 3563-3575
  • DOI: 10.1093/mnras/stw1423
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Inflows and outflows in high-redshift simulated galaxies (2016)
  • 著者名/発表者名: Takashi Okamoto
  • 学会等名: ULTIMATE-Subaru science workshop 2016
  • 発表場所: 東京都三鷹市・国立天文台三鷹キャンパス
  • 年月日: 2016-06-16 – 2016-06-17
  • 国際学会 / 招待講演