[论文解读] Dark matter halo formation in the multicomponent dark matter models

Vadim A. Semenov, Sergey Pilipenko+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文研究了在初始功率谱被修改的多组分暗物质模型中，特别是抑制中等尺度扰动时，如何使暗物质晕的密度剖面变平，从而解决核心-尖钉问题。通过N体模拟发现，当尺度比主晕尺度小8至32倍的模式被抑制时，内部斜率可从−1.2降至−0.6甚至−0.2，这一过程由促进熵增的小尺度运动驱动，从而破坏尖钉结构。

ABSTRACT

This work investigates a set of cosmological collisionless N-body simulations with featured power spectra of initial perturbations in the context of the core-cusp and satellites problems. On the studied power spectra some scales of fluctuations were suppressed. Such spectral features can be caused by multicomponent dark matter. The density profiles innermost resolved slopes $α\equiv d \log(ρ) /d \log(r) $ of the five largest haloes were measured and its dependence on the parameters of the suppression was traced. In a certain range of the parameters the slopes flatten from initial value of about -1.2 to -0.6 or even to -0.2 in one of the cases. This qualitatively demonstrates that (i) profiles shape depends on initial power spectrum and (ii) this effect may be responsible for the solution of the core-cusp problem. The suppression of some part of the initial power spectrum also leads to the decrease of the number of massive subhaloes.

研究动机与目标

• 通过探索初始功率谱特征对晕结构的影响，解决ΛCDM中的核心-尖钉问题。
• 研究多组分暗物质是否能自然产生抑制小尺度扰动的谱特征。
• 确定尖钉变平发生的条件，特别是中等尺度模式抑制的作用。
• 评估此类谱特征对子晕丰度的影响，与卫星问题建立联系。
• 评估标准CDM功率谱中的统计涨落是否可模拟这些效应，或是否需要物理上的多组分模型。

提出的方法

• 进行具有修改初始功率谱（含凹陷与峰谷）的宇宙学无碰撞N体模拟。
• 构建在中等尺度模式被抑制（8–32倍小于主晕尺度）的功率谱，以模拟多组分暗物质行为。
• 使用修改后的标准CDM功率谱，通过调节深度、宽度和位置，测试对谱特征的敏感性。
• 测量每个模拟中质量最大的五个晕的内密度剖面斜率 α = d log(ρ)/d log(r)，以量化尖钉变平程度。
• 应用熵理论：E = σ²ρ⁻²ᐟ³，其中σ为速度弥散度，ρ为密度，将小尺度运动与尖钉破坏联系起来。
• 通过比较不同凹陷深度、宽度和位置的模型，隔离出关键的抑制范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 初始功率谱中中等尺度扰动的抑制是否能令暗物质晕的内密度剖面变平？
• RQ2 需要多大尺度范围和多大抑制深度，才能显著将中心斜率从−1.2降低至核心型剖面？
• RQ3 晕的主尺度相对于谱凹陷位置是否影响尖钉的形成或破坏？
• RQ4 矮星系和低表面亮度星系中观测到的类似核心的剖面，能否由被抑制的小尺度模式引发的熵驱动粒子运动来解释？
• RQ5 此类谱特征在多大程度上减少了大质量子晕的数量，从而可能缓解卫星丰度问题？

主要发现

• 当中等尺度模式（8–32倍小于主晕尺度）被抑制时，内密度剖面斜率从初始的−1.2降至−0.6甚至−0.2，表明尖钉被有效变平。
• 当抑制程度超过10倍时，效应最强；更高的抑制导致更显著的尖钉变平。
• 窄凹陷（如4D1000）无法破坏尖钉，因为中等尺度模式（4kh < k < 8kh）仍保持活跃，从而维持尖钉结构。
• 宽凹陷（如CUT1000）抑制了所有小尺度模式，导致缺乏熵增运动，因而无法破坏尖钉。
• 只有当晕的主尺度恰好位于凹陷的左边缘时，才会发生尖钉破坏，表明存在关键的对齐条件。
• 质量相近晕的中心斜率之间存在较大离散度，其量级与尖钉变平效应相当，表明该过程具有内在的随机性。