[논문 리뷰] Cosmological and idealised simulations of dark matter haloes with velocity-dependent, rare and frequent self-interactions

Moritz S. Fischer, Lenard Kasselmann외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 천체물리학적 및 단순화된 시뮬레이션에서 속도에 의존하는 자기상호작용을 갖는 어두운 물질(SIDM)을 조사하며, 속도에 의존하는 확산단면적의 변화가 허브핵의 형성과 회전곡선의 다양성에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 강한 속도 의존성이 각도 의존성과는 무관하게 프로파일의 다양성을 증가시키며, 빈번한 및 희박한 산란 모델 간의 위성 수의 차이를 감소시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 속도에 의존하는 어두운 물질 자기상호작용이 천체물리학적 및 단순화된 조건에서 허브핵의 구조와 진화에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 핵 형성, 밀도 프로파일, 위성 수에 미치는 속도에 의존하는 산란과 속도에 독립적인 산란의 영향을 비교하는 것.
• 산란 빈도(빈번한 vs. 희박한)와 각도 의존성이 속도에 의존하는 단면적 하에서 어두운 물질 허브핵 성질에 미치는 역할을 평가하는 것.
• 정확한 속도에 의존하는 SIDM 시뮬레이션을 위한 새로운 시간단계 기준과 향상된 병렬처리 기법을 개발하고 구현하는 것.
• 속도에 의존하는 SIDM의 현상학적 의미를 탐색하여 ΛCDM 이론의 소스케일 문제, 예를 들어 핵-봉우리 문제와 회전곡선의 다양성 문제를 해결하는 데 기여하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 속도에 의존하는 자기상호작용을 갖는 10¹¹–10¹⁴ M⊙ 범위의 허브핵 천체물리학적 시뮬레이션을 수행하기 위해 수정된 N체 코드를 사용하였다.
• 속도에 의존하는 단면적에 특화된 새로운 시간단계 기준을 도입하여 수치 정확도와 성능을 향상시켰다.
• 다양한 산란 특성을 갖는 어두운 물질 허브핵 시뮬레이션을 가속화하기 위해 향상된 병렬처리 기법을 적용하였다.
• 중력 없이 열적 평형 문제를 시험하기 위해 시뮬레이션을 수행하여 속도에 의존하는 산란이 속도 분포 진화에 미치는 영향을 분리적으로 분석하였다.
• Hernquist 및 NFW 밀도 프로파일을 갖는 고립된 허브핵을 시뮬레이션하여 다양한 단면적 모델 하에서 핵 형성과 붕괴 timescale을 연구하였다.
• 파arameter w로 제어되는 다양한 속도 의존성과 산란 빈도(빈번한 vs. 희박한) 하에서 등방성 및 전방 강화 각도 의존성을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 속도에 의존하는 자기상호작용은 속도에 독립적인 산란과 비교해 어두운 물질 입자의 열적 평형에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고립된 허브핵에서 속도에 의존하는 단면적과 속도에 독립적인 단면적 간에 핵 형성과 진화의 정성적 차이는 무엇인가?
• RQ3 단면적의 속도 의존성이 천체물리학적 허브핵의 중심 밀도 프로파일과 핵 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 속도 의존성이 빈번한 및 희박한 자기상호작용 모델 간의 위성 수의 차이를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ5 각도 의존성과는 무관하게, 속도에 의존하는 단면적은 관측된 은하의 회전곡선 다양성을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 속도에 의존하는 자기상호작용은 고속 꼬리의 인구 증가를 억제함으로써 맥스웰-볼츠만 분포에서 고속 영역의 축적을 느리게 한다.
• 고립된 허브핵의 밀도 프로파일 진화는 속도 의존성 하에서 정량적으로 다르며, 자가유사성이 깨지고 핵 형성 시간에 비해 붕괴 시간이 더 길어진다.
• 강한 속도 의존성(small w)은 핵 최대 크기를 증가시키며, 속도에 독립적인 경우보다 핵 형성에 더 오랜 시간이 소요된다.
• w가 작을 경우 속도에 의존하는 산란 하에서 허브핵 질량이 증가함에 따라 중심 밀도가 증가하는 반면, 속도에 독립적인 모델에서는 감소하는 경향을 보인다.
• 강한 속도 의존성은 빈번한 자기상호작용이 등방성 단면적과 유사하게 더 넓은 범위의 허브핵 프로파일(더 농축된 경우와 덜 농축된 경우)을 생성할 수 있도록 하여 관측된 회전곡선 다양성을 설명하는 데 있어 설명력이 향상된다.
• 작은 w(강한 속도 의존성)는 빈번한 및 희박한 자기상호작용 모델 간의 위성 수의 차이를 감소시켜 산란 빈도가 준위하의 하위구조 수에 미치는 영향을 약화시킨다.