[论文解读] Cosmological and idealised simulations of dark matter haloes with velocity-dependent, rare and frequent self-interactions

Moritz S. Fischer, Lenard Kasselmann+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

本研究在宇宙学和理想化模拟中调查了速度依赖的自相互作用暗物质（SIDM），表明速度依赖的截面显著改变了星系晕核心的形成及其旋转曲线的多样性。研究发现，强烈的速度依赖性无论是否存在角度依赖性，均会增强截面多样性，并减少频繁与稀少散射模型之间卫星数量的差异。

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.

研究动机与目标

• 调查速度依赖的暗物质自相互作用如何影响宇宙学和理想化环境下星系晕结构与演化的机制。
• 比较速度依赖与速度无关散射对核心形成、密度分布和卫星数量的影响。
• 评估散射频率（频繁 vs. 稀少）和角度依赖性在速度依赖截面下对暗物质晕特性的影响。
• 开发并实现一种新的时间步长准则和改进的并行化方法，以准确模拟速度依赖的SIDM。
• 探讨速度依赖SIDM在解决ΛCDM小尺度问题（如核心-尖峰问题和旋转曲线多样性）方面的现象学意义。

提出的方法

• 使用改进的N体代码，对质量范围为10¹¹–10¹⁴ M⊙的星系晕进行宇宙学模拟，引入速度依赖的自相互作用。
• 为速度依赖截面设计了新的时间步长准则，以提高数值精度和性能。
• 采用增强的并行化方案，加速具有不同散射特性的暗物质晕模拟。
• 进行无引力作用下的热化问题测试模拟，以隔离速度依赖散射对速度分布演化的影响。
• 模拟具有Hernquist和NFW密度分布的孤立晕，研究在不同截面模型下核心形成和坍缩 timescales。
• 在不同速度依赖性（由参数w控制）和散射频率（频繁 vs. 稀少）下，比较各向同性和前向增强角度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与速度无关散射相比，速度依赖的自相互作用如何影响暗物质粒子的热化？
• RQ2 在孤立晕中，速度依赖与速度无关截面在核心形成与演化方面有何定性差异？
• RQ3 截面的速度依赖性如何影响宇宙学晕的中心密度分布和核心大小？
• RQ4 速度依赖性在多大程度上减少了频繁与稀少自相互作用模型之间卫星数量的差异？
• RQ5 无论角度依赖性如何，速度依赖截面是否能够解释观测到的星系旋转曲线多样性？

主要发现

• 速度依赖的自相互作用由于在高速时散射被抑制，减缓了麦克斯韦-玻尔兹曼分布中高速尾部的填充。
• 在速度依赖下，孤立晕密度分布的演化在定性上不同，破坏了自相似性，并导致坍缩时间相对于核心形成时间更长。
• 强烈的速度依赖性（w较小）导致更大的最大核心尺寸，以及比速度无关情况更长的核心形成 timescale。
• 当w较小时，星系晕的中心密度随晕质量增加而增加，这与速度无关模型中的递减趋势形成对比。
• 强烈的速度依赖性使得频繁自相互作用能够产生广泛多样的晕结构——包括更紧凑和更松散的形态——类似于各向同性截面，从而增强了对观测旋转曲线多样性的解释能力。
• w较小（强烈速度依赖）减少了频繁与稀少自相互作用模型之间卫星数量的差异，削弱了散射频率对亚晕数量的影响。