[论文解读] Core-collapse, evaporation and tidal effects: the life story of a self-interacting dark matter subhalo

Zhichao Carton Zeng, Annika H. G. Peter+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 180被引用 70

一句话总结

本文提出一种混合半解析与N体方法，模拟透镜质量宿主晕中自相互作用暗物质（SIDM）亚晕从核心形成到核心坍缩的演化过程。研究发现，宿主-亚晕相互作用引起的蒸发强烈延迟或阻止了具有恒定截面的亚晕发生核心坍缩，这意味着任何观测到的超致密暗物质亚结构都要求截面具有速度依赖性，或存在额外物理机制。

ABSTRACT

Self-interacting dark matter (SIDM) cosmologies admit an enormous diversity of dark matter (DM) halo density profiles, from low-density cores to high-density core-collapsed cusps. The possibility of the growth of high central density in low-mass halos, accelerated if halos are subhalos of larger systems, has intriguing consequences for small-halo searches with substructure lensing. However, following the evolution of $\lesssim 10^8 M_\odot$ subhalos in lens-mass systems ($\sim 10^{13}M_\odot$) is computationally expensive with traditional N-body simulations. In this work, we develop a new hybrid semi-analytical + N-body method to study the evolution of SIDM subhalos with high fidelity, from core formation to core-collapse, in staged simulations. Our method works best for small subhalos ($\lesssim 1/1000$ host mass), for which the error caused by dynamical friction is minimal. We are able to capture the evaporation of subhalo particles by interactions with host halo particles, an effect that has not yet been fully explored in the context of subhalo core-collapse. We find three main processes drive subhalo evolution: subhalo internal heat outflow, host-subhalo evaporation, and tidal effects. The subhalo central density grows only when the heat outflow outweighs the energy gain from evaporation and tidal heating. Thus, evaporation delays or even disrupts subhalo core-collapse. We map out the parameter space for subhalos to core-collapse, finding that it is nearly impossible to drive core-collapse in subhalos in SIDM models with constant cross sections. Any discovery of ultra-compact dark substructures with future substructure lensing observations favors additional degrees of freedom, such as velocity-dependence, in the cross section.

研究动机与目标

• 研究SIDM亚晕在透镜质量宿主晕中的完整演化生命周期——从核心形成到核心坍缩。
• 解决传统N体方法在模拟质量较小的亚晕（≲10⁸ M⊙）于大质量宿主系统（∼10¹³ M⊙）中时面临的计算挑战。
• 量化内部热量流出、宿主-亚晕蒸发及潮汐效应在亚晕演化中的作用。
• 确定在恒定截面下，SIDM亚晕发生核心坍缩的参数空间。
• 评估未来亚结构引力透镜观测在区分SIDM模型方面的意义。

提出的方法

• 开发一种混合模拟框架，结合半解析建模与高保真N体模拟，分阶段模拟亚晕演化。
• 采用基于Knudsen数（𝐾𝑛 ≈ 1）的核心坍缩判据，此时平均自由程与引力标高相当。
• 使用固定软化长度的软化引力力律，经验证在核心坍缩附近引入的数值误差极小。
• 追踪亚晕经历多次近心点通过过程，解析粒子蒸发与潮汐剥离效应。
• 采用分阶段模拟方法，将计算资源集中于亚晕演化的关键阶段。
• 在亚晕质量 ≤ 宿主晕质量 1/1000 的情况下验证了该方法，此时动力摩擦误差最小化。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么驱动了SIDM亚晕在透镜质量宿主晕中从核心形成到核心坍缩的演化？
• RQ2 蒸发与潮汐效应如何影响SIDM亚晕核心坍缩的发生时机与可能性？
• RQ3 在真实的宇宙学浓度下，恒定截面的SIDM亚晕是否可能发生核心坍缩？
• RQ4 观测到的超致密暗物质亚结构对SIDM截面的速度依赖性施加了何种约束？
• RQ5 竞争过程——热量流出、蒸发与潮汐加热——如何共同影响亚晕中心密度的净演化？

主要发现

• 由于与宿主晕粒子相互作用导致的亚晕粒子蒸发，是主导过程，可显著延迟或阻止SIDM亚晕的核心坍缩。
• 在真实的宇宙学浓度下，具有恒定截面的亚晕几乎不可能发生核心坍缩，因为蒸发与潮汐加热通常超过内部热量流出。
• 只有当内部热量流出超过蒸发与潮汐加热带来的能量增益时，亚晕的中心密度才会增长。
• 对于质量为[𝑀sub = 10¹⁰.⁵ M⊙, 𝜎T/𝑚 = 6 cm²/g, 𝑟peri:𝑟apo = 1/10, 𝑐 = 75]的亚晕，冷却与加热之间处于近乎临界的平衡状态，使得核心坍缩对时间与初始条件极为敏感。
• 任何未来通过亚结构引力透镜观测到的超致密暗物质亚结构，都将强烈否定恒定截面SIDM模型，并支持速度依赖性截面或额外自由度的存在。
• 该方法成功捕捉了核心坍缩附近短平均自由程区域的过渡行为，支持在该点终止N体模拟，并提示需后续开展流体动力学或解析研究。