[论文解读] Halo Formation from Yukawa Forces in the Very Early Universe

Guillem Domènech, Derek Inman+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了在早期宇宙中由标量介导的暗物质费米子之间长程的杨-米尔斯力驱动的星系晕形成。通过自洽的标量场动力学与N体模拟，结果表明星系晕的形成速度远快于传统线性预测，且在更大尺度上发生，对原初黑洞、暗星或物质-辐射相等时的星系尺度星系晕具有潜在影响。

ABSTRACT

If long-range attractive forces exist and are stronger than gravity then cosmic halo formation can begin in the radiation-dominated era. We study a simple realization of this effect in a system where dark matter fermions have Yukawa interactions mediated by scalar particles, analogous to the Higgs boson in the standard model. We develop a self-consistent description of the system including exact background dynamics of the scalar field, and precise modelling of the fermion density fluctuations. For the latter, we provide accurate approximations for the linear growth as well as quantitative modelling of the nonlinear evolution using N-body simulations. We find that halo formation occurs exponentially fast and on scales substantially larger than simple estimates predict. The final fate of these halos remains uncertain, but could be annihilation, dark stars, primordial black holes, or even the existence of galaxy-sized halos at matter-radiation equality. More generally, our results demonstrate the importance of mapping scalar-mediated interactions onto structure formation outcomes and constraints for beyond the standard model theories.

研究动机与目标

• 研究长程杨-米尔斯力在辐射主导时期触发早期宇宙结构形成的作用。
• 在超越线性近似的基础上，对费米子密度涨落在标量介导相互作用下的非线性演化进行建模。
• 评估星系晕形成作为原初黑洞形成或其他早期致密天体前驱的可行性。
• 建立一个自洽框架，将标量场背景动力学与宇宙学N体模拟中的费米子聚集相耦合。
• 评估结果对模拟中有限网格分辨率和力软化等数值伪影的鲁棒性。

提出的方法

• 构建一个自洽模型，将介导杨-米尔斯相互作用的标量场背景动力学与费米子密度涨落相耦合。
• 采用粒子-网格方法的N体模拟，模拟在杨-米尔斯力作用下费米子星系晕的非线性演化。
• 使用可调软化长度 $ n_{\text{ℓ}} $ 的有限网格，以测试数值收敛性并最小化周期性边界条件带来的伪影。
• 应用重标度技术，测试结果对物理长度尺度 $ \ell $ 的不变性，确保数值鲁棒性。
• 对比不同 $ n_{\text{ℓ}} $ 和时变 $ \ell $ 的模拟，评估对力律截断和分辨率效应的敏感性。
• 使用无量纲功率谱和星系晕质量函数，量化不同模拟设置下的结构增长与收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 标量介导相互作用产生的杨-米尔斯力是否能在辐射主导的早期宇宙中触发星系晕形成？
• RQ2 在杨-米尔斯力作用下，费米子密度涨落的非线性演化与线性增长预测相比有何差异？
• RQ3 数值分辨率和力软化对Yukawa相互作用N体模拟中星系晕形成的影响如何？
• RQ4 时变标量媒介子质量如何影响有效力律及结构形成结果？
• RQ5 早期星系晕形成对原初黑洞或其他致密天体形成有何启示？

主要发现

• 由于强烈的杨-米尔斯吸引作用，星系晕形成速度极快，且发生在远大于简单线性估计预测的尺度上。
• 在 $ n_{\ell} = 12 $ 和 $ n_{\ell} = 16 $ 的模拟中，功率谱与星系晕质量函数均显示收敛，表明数值稳定性。
• 在 $ s = 200 $ 处的功率谱显示，星系晕已达到非线性坍缩状态，其浓度高于线性理论预测，表明非线性演化。
• 低频 $ \ell $ 振荡时，低频段功率降低，表明在 $ \ell \sim \bar{\ell}/2 $ 附近力的有效性减弱，可能因分辨率不足所致。
• 星系晕质量函数在 $ n_{\ell} \leq 8 $ 时出现偏差，且在 $ n_{\ell} = 20 $ 时大质量星系晕被抑制，表明动态范围不足。
• 当正确重标度时，结果对 $ n_{\ell} $ 的变化保持鲁棒，证实了力律的物理不变性与数值收敛性。