[论文解读] Cosmic particle colliders: simulations of self-interacting dark matter with angularly-dependent scattering

Andrew Robertson, R. Massey+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文研究了孤立晕和碰撞星系团中各向异性散射的自相互作用暗物质（SIDM）。结果表明，尽管各向同性散射模型可通过修改动量转移截面来匹配孤立晕的演化，但其在碰撞中会低估暗物质-星系偏移，尤其是对速度依赖性、各向异性的模型，这类模型还受到此前未被认识到的动力学效应抑制，从而削弱了星系团的约束力。

ABSTRACT

We investigate how self-interacting dark matter (SIDM) with anisotropic scattering affects the evolution of isolated dark matter haloes as well as systems with two colliding haloes. For isolated haloes, we find that the evolution can be adequately captured by treating the scattering as isotropic, as long as the isotropic cross-section is appropriately matched to the underlying anisotropic model. We find that this matching should not be done using the momentum transfer cross-section, as has been done previously. Matching should instead be performed via a modified momentum transfer cross-section that takes into account that dark matter particles can be relabelled after they scatter, without altering the dynamics. However, using cross-sections that are matched to give the same behaviour in isolated haloes, we find that treating dark matter scattering as isotropic under-predicts the effects of anisotropic dark matter scattering when haloes collide. In particular, the DM-galaxy offset induced by SIDM in colliding galaxy clusters is larger when we simulate the underlying particle model, than if we use a matched isotropic model. On the other hand, well motivated particle models with anisotropic scattering typically have cross-sections with a strong velocity dependence, and we discover a previously unrecognised effect that suppresses DM-galaxy offsets in colliding clusters making it hard for these systems to provide competitive constraints on such particle models.

研究动机与目标

• 理解各向异性暗物质散射如何影响孤立暗物质晕和碰撞星系团。
• 评估各向同性散射模型是否能准确再现各向异性SIDM在孤立和碰撞系统中的动力学行为。
• 为孤立晕中各向异性与各向同性模型之间的截面匹配方法提供正确方案。
• 评估各向异性散射对碰撞星系团中暗物质-星系偏移的影响及其对观测约束的含义。
• 揭示速度依赖性、各向异性SIDM模型中此前未被认识的抑制效应，该效应降低了其在星系团碰撞中的可观测性。

提出的方法

• 通过各向异性和各向同性散射截面模拟孤立暗物质晕，以比较其结构演化。
• 将各向同性截面与各向异性模型匹配，不采用标准动量转移方法，而是通过一种考虑粒子重标记但不引起动力学变化的修正动量转移截面。
• 对两个碰撞晕进行流体动力学模拟，研究在各向异性和各向同性散射下暗物质-星系偏移的行为。
• 使用粒子模拟方法建模底层的各向异性散射过程，包括速度依赖性截面。
• 分析碰撞星系团中产生的暗物质-星系偏移，并与匹配后的各向同性模型预测结果进行比较。
• 识别出速度依赖性、各向异性模型中导致星系团碰撞中可观测偏移减少的抑制机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 当与各向异性散射模型匹配时，各向同性散射模型能否准确再现孤立暗物质晕的演化？
• RQ2 在碰撞星系团中，将各向异性散射视为各向同性是否会系统性低估暗物质-星系偏移？
• RQ3 在孤立系统中，将各向同性截面与各向异性模型匹配的正确方法是什么？
• RQ4 各向异性散射中的速度依赖性如何影响星系团碰撞中暗物质-星系偏移的可观测性？
• RQ5 是否存在此前未被认识的抑制效应，使得各向异性SIDM模型在星系团碰撞观测中的敏感性降低？

主要发现

• 只有当通过一种考虑粒子重标记但不引起动力学变化的修正动量转移截面进行匹配时，各向同性散射模型才能准确再现孤立晕的演化；若使用标准动量转移截面，则无法实现准确匹配。
• 当与孤立晕动力学相匹配时，各向同性模型在碰撞星系团中系统性低估了暗物质-星系偏移，相比真实的各向异性散射模型。
• 具有强速度依赖性的各向异性散射会导致碰撞星系团中暗物质-星系偏移出现此前未被认识的抑制，从而降低其对观测约束的敏感性。
• 该抑制效应源于各向异性散射与速度依赖性截面之间的相互作用，限制了星系团碰撞中暗物质-星系分离的程度。
• 因此，具有各向异性散射的合理粒子模型在星系团碰撞观测中对SIDM的约束力，远低于以往基于各向同性近似所估计的水平。
• 结果表明，基于星系团碰撞观测对各向异性SIDM的观测约束，可能显著弱于使用各向同性近似所估算的结果。