[論文レビュー] Cosmological and idealised simulations of dark matter haloes with velocity-dependent, rare and frequent self-interactions

Moritz S. Fischer, Lenard Kasselmann+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、宇宙論的および理想化されたシミュレーションにおける速度に依存する自己相互作用暗黒物質（SIDM）を調査し、速度に依存する断面積がハロー核形成および回転曲線の多様性に顕著に影響することを示している。強い速度依存性は、角度依存性に関わらずプロファイルの多様性を拡大し、頻繁な散乱とまれな散乱のモデル間での衛星数の差を減少させる。

ABSTRACT

Dark matter self-interactions may have the capability to solve or at least mitigate small-scale problems of the cosmological standard model, Lambda Cold Dark Matter. There are a variety of self-interacting dark matter models that lead to distinguishable astrophysical predictions and hence varying success in explaining observations. Studies of dark matter (DM) density cores on various mass scales suggest a velocity-dependent scattering cross-section. In this work, we investigate how a velocity dependence alters the evolution of the DM distribution for frequent DM scatterings and compare to the velocity-independent case. We demonstrate that these cases are qualitatively different using a test problem. Moreover, we study the evolution of the density profile of idealized DM haloes and find that a velocity dependence can lead to larger core sizes and different time-scales of core formation and core collapse. In cosmological simulations, we investigate the effect of velocity-dependent self-interaction on haloes and satellites in the mass range of $\approx 10^{11} - 10^{14}$ M$_\odot$. We study the abundance of satellites, density, and shape profiles and try to infer qualitative differences between velocity-dependent and velocity-independent scatterings as well as between frequent and rare self-interactions. We find that a strongly velocity-dependent cross-section can significantly amplify the diversity of rotation curves, independent of the angular dependence of the differential cross-section. We further find that the abundance of satellites in general depends on both the velocity dependence and the scattering angle, although the latter is less important for strongly velocity-dependent cross-sections.

研究の動機と目的

• 速度に依存する暗黒物質の自己相互作用が、宇宙論的および理想化された設定におけるハロー構造および進化に与える影響を調査すること。
• 速度に依存する散乱と速度に依存しない散乱の影響を、核形成、密度プロファイル、および衛星数の観点から比較すること。
• 散乱頻度（頻繁 vs. まれ）および角度依存性が、速度に依存する断面積下での暗黒物質ハローの性質に与える役割を評価すること。
• 速度に依存するSIDMの正確なシミュレーションを可能にするために、新しいタイムステップ基準と改善された並列処理を構築・実装すること。
• 速度に依存するSIDMの現象論的意味を検討し、ΛCDMにおける小スケール問題（例えば核-カスプ問題や回転曲線の多様性）を解決する可能性を検討すること。

提案手法

• 質量範囲 10¹¹–10¹⁴ M⊙ のハローにおける宇宙論的シミュレーションを、速度に依存する自己相互作用を用いて、修正されたN体コードで実施した。
• 速度に依存する断面積に特化した新しいタイムステップ基準を実装し、数値的精度と性能を向上させた。
• 異なる散乱特性を有する暗黒物質ハローのシミュレーションを高速化するため、強化された並列処理スキームを用いた。
• 重力なしの状態で熱平衡化問題のテストシミュレーションを実施し、速度に依存する散乱が速度分布の進化に与える影響を分離して評価した。
• ハルニストおよびNFW密度プロファイルを持つ孤立ハローをシミュレートし、異なる断面積モデル下での核形成および崩壊 timescale を研究した。
• パラメータ w で制御されるさまざまな速度依存性（w）と散乱頻度（頻繁 vs. まれ）の下で、等方的および前向き強化型の角度依存性を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 速度に依存する自己相互作用は、速度に依存しない散乱と比較して、暗黒物質粒子の熱平衡化にどのように影響するか？
• RQ2 孤立ハローにおいて、速度に依存する断面積と速度に依存しない断面積の下で、ハロー核形成および進化にどのような定性的な差が生じるか？
• RQ3 断面積の速度依存性が、宇宙論的ハローにおける中心密度プロファイルおよび核サイズにどのように影響するか？
• RQ4 速度依存性が、衛星数の観点で頻繁な自己相互作用モデルとまれな自己相互作用モデルの差をどの程度小さくするか？
• RQ5 角度依存性に関わらず、速度に依存する断面積は、観測された回転曲線の多様性を説明できるか？

主な発見

• 速度に依存する自己相互作用は、高速度領域での散乱が抑制されるため、マクスウェル＝ボルツマン分布の高エネルギー尾の形成が遅延される。
• 孤立ハローの密度プロファイルの進化は、速度依存性がある場合に定性的に異なる。自己相似性が破れ、核形成時間に比べて崩壊時間が長くなる。
• 強い速度依存性（w が小さい）では、核形成時間の長さと最大核サイズの増大が観察され、速度に依存しない場合と比較して顕著である。
• w が小さい場合、ハロー質量が増加するにつれてハローの中心密度が増加するが、これは速度に依存しないモデルとは対照的で、中心密度は減少する傾向を示す。
• 強い速度依存性により、頻繁な自己相互作用が、よりコンパクトなハローからより広がったハローまで多様なプロファイルを生み出すことができ、等方的断面積と同様の多様性を実現し、観測された回転曲線の多様性を説明する力が向上する。
• w が小さい（強い速度依存性）と、頻繁な散乱とまれな散乱のモデル間での衛星数の差が小さくなり、散乱頻度の影響が弱まる。