[论文解读] Disruption of Dark Matter Minihaloes in the Milky Way environment: Implications for Axion Miniclusters and Early Matter Domination

Xuejian Shen, Huangyu Xiao+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文研究了银河系中密集暗物质小星系晕（如轴子小团块以及早期物质主导时期形成的星系晕）在潮汐力和恒星扰动下的生存能力。通过N体模拟与半解析模型，发现质量≥10⁻¹² M☉的小星系晕约有60%能够幸存于扰动，且幸存率对模型参数不敏感，为未来直接探测实验提供了关键约束。

ABSTRACT

Many theories of dark matter beyond the Weakly Interacting Massive Particles (WIMP) paradigm feature an enhanced matter power spectrum on sub-parsec scales, leading to the formation of dense dark matter minihaloes. Future local observations are promising to search for and constrain such substructures. The survival probability of these dense minihaloes in the Milky Way environment is crucial for interpreting local observations. In this work, we investigate two environmental effects: stellar disruption and (smooth) tidal disruption. These two mechanisms are studied using semi-analytic models and idealized N-body simulations. For stellar disruption, we perform a series of N-body simulations of isolated minihalo-star encounters to test and calibrate analytic models of stellar encounters before applying the model to the realistic Milky Way disk environment. For tidal disruption, we perform N-body simulations to confirm the effectiveness of the analytic treatment. Finally, we propose a framework to combine the hierarchical assembly and infall of minihaloes to the Milky Way with the late-time disruption mechanisms. We make predictions for the mass functions of minihaloes in the Milky Way. The survival fraction of dense dark matter minihaloes, e.g. for axion miniclusters and minihaloes from Early Matter Domination, is $\sim 60\%$ with the relatively low-mass, compact population surviving. The survival fraction is insensitive to the detailed model parameters. We discuss various implications of the framework and future direct detection prospects.

研究动机与目标

• 评估密集暗物质小星系晕在银河系恒星盘环境中的幸存概率。
• 利用N体模拟与解析框架，建立并校准恒星相遇与潮汐扰动机制的模型。
• 构建统一框架，整合小星系晕的分层并合历史与晚期扰动过程。
• 预测幸存小星系晕的质量函数，并约束其通过未来观测的可探测性。
• 在考虑扰动效应的背景下，评估其对轴子小团块与早期物质主导情景的启示。

提出的方法

• 开展孤立小星系晕-恒星相遇的理想化N体模拟，以校准恒星扰动的解析模型。
• 执行N体模拟，验证银河系盘中平滑潮汐扰动的解析处理方法。
• 采用自相似等温球模型采样小星系晕轨道，计算轨道参数（如偏心率、近星点与远星点）。
• 基于分布函数对相空间粒子进行蒙特卡洛采样，以模拟小星系晕轨道与盘面穿越。
• 计算有效恒星面密度的修正因子，通过1/cosθ加权方法考虑轨道平均化与倾角效应。
• 利用指数与幂律形式拟合修正因子fΣ*与fΣ²*关于观测半径的函数，以考虑轨道与几何效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系盘环境中，有多少比例的密集暗物质小星系晕能幸存于扰动？
• RQ2 恒星相遇与平滑潮汐力对不同质量与密度的小星系晕的扰动作用如何比较？
• RQ3 轨道偏心率与盘面倾角在多大程度上影响平均能量转移与扰动速率？
• RQ4 小星系晕的分层并合过程在多大程度上影响其最终幸存概率？
• RQ5 小星系晕的幸存性对探测轴子小团块与早期物质主导信号有何启示？

主要发现

• 质量≥10⁻¹² M☉的小星系晕幸存率约为60%，且与详细模型参数无关。
• 恒星扰动与潮汐力均起显著作用，但联合效应导致幸存率对初始条件不敏感，具有鲁棒性。
• 盘面穿越次数的修正因子fNp约为1.3，表明与圆形轨道相比，扰动频率更高。
• 在8 kpc处，有效恒星面密度修正因子fΣ*约为1.16，其径向依赖关系可用指数形式良好拟合。
• 倾斜轨迹的修正因子fθ约为2，这是由于倾斜路径上相互作用时间更长且密度更高所致。
• 该框架成功结合了小星系晕的并合历史与扰动机制，可实现对银河系中小星系晕质量函数的可靠预测。