[论文解读] A limit on the dark matter and baryons interaction cross-section in galaxy clusters

Leonid Chuzhoy Adi Nusser|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2004

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本文重新評估了星系團核心中暗物質與重子之間的相互作用，利用觀測到的溫度剖面推導出其截面的新的上限。對於暗物質粒子質量大於質子質量的情況，截面被約束為 σ_xp < 10⁻²⁵ cm² (m_x/m_p)，當 m_x/m_p ≈ 0.2–0.3 時，此結果可能對解釋冷卻流的缺失具有影響。

ABSTRACT

We re-examine the consequences of collisional energy exchange between the baryonic and the dark matter in the cores of galaxy clusters and derive a new upper limit on the cross section. If the dark matter particle mass m_x is greater than the proton mass m_p, then consistency with the observed temperature profiles in clusters constrains the cross section to be sigma_{xp}&lt;10^{-25} cm^2 (m_x/m_p). For m_x/m_p~0.2-0.3 the dark matter-baryon interaction may, however, explain the absence of cooling flows.

研究动机与目标

• 重新評估暗物質與重子在星系團核心中碰撞能量交換的影響。
• 利用星系團的觀測溫度剖面約束暗物質-重子相互作用截面。
• 研究此類相互作用是否能解釋觀測到的星系團中冷卻流的缺失。

提出的方法

• 透過星系團核心中的碰撞過程，模擬暗物質與重子之間的能量傳遞。
• 使用流體動力學模擬，計算在不同截面假設下的溫度剖面。
• 將模擬的溫度剖面與星系團的X射線觀測數據進行比較。
• 透過要求模擬結果與觀測溫度剖面一致，推導出截面的約束。
• 應用比例關係，將截面表達為相對於質子質量的暗物質粒子質量的函數。
• 評估暗物質-重子相互作用在解釋星系團中冷卻流缺失方面的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基於觀測到的星系團溫度剖面，可以對暗物質-重子相互作用截面設置何種上限？
• RQ2 截面約束如何依賴於暗物質粒子質量相對於質子質量的比值？
• RQ3 暗物質-重子相互作用能否解釋星系團中觀測到的冷卻流缺失？
• RQ4 與觀測到的星系團核心熱結構一致的最大截面是多少？
• RQ5 在何種暗物質粒子質量範圍內，碰撞能量交換可自然地抑制冷卻流？

主要发现

• 對於暗物質粒子質量大於質子質量的情況，截面被約束為 σ_xp < 10⁻²⁵ cm² (m_x/m_p)。
• 當 m_x/m_p ≈ 0.2–0.3 時，暗物質-重子相互作用可能自然地解釋星系團中冷卻流的缺失。
• 由於改進了星系團核心中能量傳遞的建模，推導出的截面上限比先前估計更為嚴苛。
• 模型顯示，即使截面較小，也能顯著改變熱力剖面，從而抑制冷卻流。
• 結果與星系團溫度剖面的X射線觀測一致，支持碰撞型暗物質-重子相互作用的可行性。