[论文解读] Dark matter haloes in the multicomponent model. III. From dwarfs to galaxy clusters

Keita Todoroki, Mikhail V. Medvedev|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 133被引用 5

一句话总结

本研究调查了两组分暗物质（2cDM）模型——包含弹性散射与具有速度冲量的非弹性质量转换——以解决小尺度宇宙学问题。通过矮星系和星系团的高分辨率N体模拟，发现当σ₀/m ≲ 0.1 cm²/g时，截面与观测一致，而σ₀/m ≳ 0.1 cm²/g则不被支持，表明在冷暗物质（CDM）之外，自相互作用暗物质模型存在一个可行窗口。

ABSTRACT

A possibility of DM being multicomponent has a strong implication on resolving decades-long known cosmological problems on small scale. In addition to elastic scattering, the model allows for inelastic interactions, which can be characterized by a 'velocity kick' parameter. The simplest 2cDM model with cross section $0.01\lesssim\sigma/m<1 extrm{ cm}^{2}{ m g}^{-1}$ and the kick velocity $V_{k}\simeq 100 extrm{ km s}^{-1}$ has been shown to robustly resolve the missing satellites, core-cusp, and too-big-to-fail problems in $N$-body cosmological simulations tested on MW-like haloes of a virial mass $\sim5 imes 10^{11}$ M$_{\odot}$ (Paper I $\&$ II). With the aim of further constraining the parameter space available for the 2cDM model, we extend our analysis to dwarf and galaxy cluster haloes with their virial mass of $\sim 10^7 - 10^8$ and $\sim 10^{13} - 10^{14}$ M$_{\odot}$, respectively. We find $\sigma_{0} / m \gtrsim 0.1 extrm{ cm}^{2}{ m g}^{-1}$ is preferentially disfavored for both dwarfs and galaxy cluster haloes in comparison with observations, while $\sigma_{0} / m = 0.001 extrm{ cm}^{2}{ m g}^{-1}$ causes little perceptible difference from that of the CDM counterpart for most of the cross section's velocity dependence studied in this work. Our main result is that within the reasonable set of parameters the 2cDM model can successfully explain the observational trends seen in dwarf galaxy and galaxy cluster haloes and the model leaves us an open window for other possible alternative DM models.

研究动机与目标

• 在从矮星系到星系团的广泛质量范围内，检验两组分暗物质（2cDM）模型的可行性。
• 约束2cDM模型的参数空间，特别是截面σ₀/m和速度依赖性参数（as, ac）。
• 评估具有速度冲量的非弹性质量转换是否能够解决小尺度问题，如核心-尖峰问题和卫星缺失问题。
• 评估恒星物理对2cDM晕结构的影响，及其与观测数据的兼容性。

提出的方法

• 对具有约10⁷至约10¹⁴ M⊙的virial质量的矮星系和星系团晕进行高分辨率N体宇宙学模拟。
• 采用包含弹性散射与非弹性质量转换的多组分暗物质模型，参数化为σ₀/m和速度依赖性（as, ac）。
• 使用速度依赖的截面σ(v) ∝ v^as，并采用速度冲量参数Vk ≃ 100 km s⁻¹来模拟非弹性相互作用。
• 将模拟的晕密度剖面（gNFW与NFW）与观测数据进行比较，重点关注内部斜率和浓度参数。
• 分析在r < 300 pc和r < Rvir范围内的质量损失比例，以量化非弹性过程的影响。
• 在σ₀/m = 0.01、0.1和1 cm²/g下测试对称与非对称（as, ac）参数组合，排除后者作为不现实的选项。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有非弹性质量转换的2cDM模型能否解决矮星系和星系团中的核心-尖峰问题？
• RQ2 哪些σ₀/m值的范围与矮星系和星系团中观测到的晕密度剖面一致？
• RQ3 包含非弹性质量转换如何影响低质量和高质晕中的质量损失与结构演化？
• RQ4 恒星效应（如活动星系核反馈）在多大程度上会破坏2cDM预测与观测之间的一致性？
• RQ5 哪些参数组合（as, ac）能在多个质量尺度上产生与观测一致的晕剖面？

主要发现

• 对于矮星系和星系团晕，σ₀/m ≳ 0.1 cm²/g的截面通常不被接受，因为其产生的剖面与观测不一致。
• σ₀/m = 0.001 cm²/g在所有研究的速度依赖性下均导致与CDM剖面的偏差可忽略，表明自相互作用不足，无法解决小尺度问题。
• 为产生明显的内部密度斜率平坦化，需满足最小截面0.001 ≲ σ₀/m ≲ 0.01 cm²/g，这表明核心形成具有可探测性。
• 对于σ₀/m = 0.01 cm²/g，2cDM模型产生的剖面仅比CDM稍不尖锐，核心尺寸合理，≤30 kpc。
• 当（as, ac）=（0,0）时，对于σ₀/m = 0.01，内部r < 300 pc区域可损失约∼10%的暗物质质量；对于σ₀/m = 0.1，损失约∼30%；对于σ₀/m = 1 cm²/g，损失高达∼90%，表明内区存在显著质量损失。
• 对称模型（−2,−2）、（−1,−1）和（0,0）表现最佳，其中σ₀/m ≲ 0.1 cm²/g与观测和理论预期最为一致。