[论文解读] Cosmological simulations with rare and frequent dark matter self-interactions

Moritz S. Fischer, M. Brüggen+5 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 127被引用 25

一句话总结

本研究首次开展了频繁暗物质自相互作用（fSIDM）的宇宙学N体模拟，将其与标准的稀有自相互作用模型（rSIDM）进行比较。尽管大尺度行为相似，fSIDM表现出显著抑制的卫星数量——当结合晕密度或形状分布时，可作为关键的观测区分指标——同时首次给出了频繁散射截面的上限。

ABSTRACT

Dark matter (DM) with self-interactions is a promising solution for the small-scale problems of the standard cosmological model. Here we perform the first cosmological simulation of frequent DM self-interactions, corresponding to small-angle DM scatterings. The focus of our analysis lies in finding and understanding differences to the traditionally assumed rare DM (large-angle) self scatterings. For this purpose, we compute the distribution of DM densities, the matter power spectrum, the two-point correlation function and the halo and subhalo mass functions. Furthermore, we investigate the density profiles of the DM haloes and their shapes. We find that overall large-angle and small-angle scatterings behave fairly similarly with a few exceptions. In particular, the number of satellites is considerably suppressed for frequent compared to rare self-interactions with the same cross-section. Overall we observe that while differences between the two cases may be difficult to establish using a single measure, the degeneracy may be broken through a combination of multiple ones. For instance, the combination of satellite counts with halo density or shape profiles could allow discriminating between rare and frequent self-interactions. As a by-product of our analysis, we provide - for the first time - upper limits on the cross-section for frequent self-interactions.

研究动机与目标

• 在宇宙学背景下研究频繁（小角度）与稀有（大角度）暗物质自相互作用之间的现象学差异。
• 解决频繁自相互作用缺乏约束的问题，尽管其具有理论动机，但此前尚未在完整的宇宙学模拟中进行测试。
• 识别可用于区分fSIDM与rSIDM模型的可观测特征。
• 首次提供频繁自相互作用的动量转移截面的上限。

提出的方法

• 采用全箱体和嵌套模拟技术，开展仅含暗物质的宇宙学N体模拟，以模拟fSIDM和rSIDM。
• 实现了一种新型数值方案，将频繁的小角度散射视为连续的动量扩散，从而能够模拟高频、低角度的散射事件。
• 通过多种诊断方法对比fSIDM与rSIDM及标准CDM：物质功率谱、两点相关函数、晕和亚晕质量函数，以及密度/形状分布。
• 使用动量转移截面作为一致的比较指标，确保每次散射事件中能量和动量转移相等。
• 通过主轴分析研究晕的形状，通过球对称平均分析密度分布。
• 基于模拟中未观测到显著偏差，推导出频繁自相互作用截面的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 与rSIDM和CDM相比，频繁自相互作用（fSIDM）如何影响物质功率谱和大尺度结构？
• RQ2 在相同的动量转移截面下，fSIDM与rSIDM的晕和亚晕质量函数有何差异？
• RQ3 fSIDM与rSIDM的暗物质晕密度和形状分布有何不同？
• RQ4 卫星丰度能否用于区分fSIDM与rSIDM，尤其是在结合其他可观测量时？
• RQ5 在宇宙学背景下，频繁自相互作用的截面首次上限是什么？

主要发现

• 在大尺度上，fSIDM与rSIDM与CDM无法区分，但两者均因自相互作用效应在小尺度上显著偏离。
• 对于相同的动量转移截面，fSIDM与rSIDM在物质功率谱、密度PDF和两点相关函数中表现出非常相似的小尺度结构抑制。
• 即使截面相同，fSIDM中的亚晕（卫星）丰度也显著低于rSIDM，表明其为关键的可观测区分指标。
• 晕的密度和形状分布在大半径区域对自相互作用物理机制更敏感，此时恒星效应可忽略，使其成为约束DM模型的有力工具。
• 结合卫星数量与晕的形状或密度分布测量，可打破fSIDM与rSIDM之间的退化，提供一种多可观测量的模型区分策略。
• 本研究首次提供了频繁自相互作用动量转移截面的上限，为未来观测约束设定了基准。