[论文解读] A Self-interacting Dark Matter Solution to the Extreme Diversity of Low-mass Halo Properties

Ethan O. Nadler, Daneng Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 102被引用 7

一句话总结

本论文表明，依赖速度的自相互作用暗物质（SIDM）能够同时解释非常密集的强引力透镜干扰体与低密度的超扩散星系（UDG）晕，通过在一组尺度的宇宙学模拟中使某些子晕发生核心崩塌、在独立晕中形成核心。

ABSTRACT

The properties of low-mass dark matter (DM) halos appear to be remarkably diverse relative to cold, collisionless DM predictions, even in the presence of baryons. We show that self-interacting DM (SIDM) can simultaneously explain observations of halo diversity at two opposite extremes$-$the inner density profile of the dense substructure perturbing the strong lens galaxy SDSSJ0946+1006 and the rotation curves of isolated, gas-rich ultradiffuse galaxies (UDGs). To achieve this, we present the first cosmological zoom-in simulation featuring strong DM self-interactions in a galaxy group environment centered on a $10^{13}~M_{\mathrm{\odot}}$ host halo. In our SIDM simulation, most surviving subhalos of the group-mass host are deeply core-collapsed, yielding excellent candidates for the observed dense strong-lens perturber. Self-interactions simultaneously create kiloparsec-scale cores in low-concentration isolated halos, which could host the observed UDGs. Our scenario can be further tested with observations of DM structure and galaxies over a wide mass range.

研究动机与目标

• 解释超出CDM预测即使有带物质的情况下也需解释的极端晕密度多样性的动机。
• 提出并测试一个能够在晕中产生核心崩塌和核心形成的、依速度而定的 SIDM 模型。
• 量化 SIDM 如何影响组质量主晕的子晕密度，并与强透镜和UDG观测结果进行比较。

提出的方法

• 引入具有鲁瑟福德式微分截面和粘度截面的速度依赖 SIDM 模型用于 N 体模拟的实现。
• 对一个组质量主晕（≈10^13 太阳质量）进行高分辨率宇宙学放大（zoom-in）SIDM 模拟，并进行 CDM 对照组。
• 使用 GROUP SIDM 截面参数预测低浓度晕的核心形成和较高浓度子晕的核心崩塌。
• 测量子晕和独立晕的内层密度斜率和包围质量，并与强透镜干扰体的属性（M21）以及 UDG 动力学（K22）进行比较。
• 采用半解析的核心崩塌时间尺度和截面标度关系来解释模拟结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 强DM自相互作用是否能在同一宇宙环境中同时产生高度密集的干扰体样子子晕与低密度的 UD G样晕？
• RQ2 组尺度 SIDM 模型是否能再现 SDSSJ0946+1006 干扰体的观测内层密度斜率和质量以及UDG的运动学？
• RQ3 SIDM 引起的引力热力学演化（核心膨胀与崩塌）如何使晕群体的多样性相较于 CDM 更丰富？
• RQ4 为了在不违反群/团约束的前提下拟合观测极端值，需要哪些有效截面和晕浓度的范围？

主要发现

• 组尺度 SIDM 模拟产生一群子晕，其中若干个发生核心崩塌，且在多种情形下与 SDSSJ0946+1006 的强透镜干扰体的密集内层密度相匹配。
• 独立的 SIDM 暗物质晕发展出可容纳 UD G 类系统的千秒差距尺度核心，解决了 CDM 暗物质晕仍然过于密集的观测矛盾。
• 与 CDM 相比，SIDM 显著扩展了晕的内层密度多样性，产生高浓度核心崩塌的晕与低浓度核心形成的晕。
• 部分 SIDM 子晕由于核心崩塌而使内层密度剖面比 CDM 更陡，近心相互作用加速了引力热力学演化。
• 该 SIDM 模型能够解释在相同晕质量下透镜干扰体与 UD G 的观测内层密度范围，提出了对DM结构在不同质量尺度上的可测试预测。
• 分析表明在提出的速度依赖形式内，较宽的截面范围可以兼容观测极端值，同时保持与组/团约束的一致性。