[论文解读] ISIS: a new N-body cosmological code with scalar fields based on RAMSES. Code presentation and application to the shapes of clusters

Claudio Llinares, David F. Mota+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 42被引用 10

一句话总结

本文提出 ISIS，一种基于 RAMSES 的新型 N体宇宙学代码，引入了具有屏蔽机制的标量-张量引力，可模拟修改引力在星系团尺度暗物质晕上的效应。研究发现，对称子与 $f(R)$ 引力模型相比 $\Lambda$CDM 模型使晕的椭圆率增加，其中 $f(R)$ 模型在长程第五种力作用下表现出反直觉的趋向更球形的倾向，与静态预测一致，但揭示了新的时间演化效应。

ABSTRACT

Several extensions of the standard cosmological model include scalar fields as new degrees of freedom in the underlying gravitational theory. A particular class of these scalar field theories include screening mechanisms intended to hide the scalar field below observational limits in the solar system, but not on galactic scales, where data still gives freedom to find possible signatures of their presence. In order to make predictions to compare with observations coming from galactic and clusters scales (i.e. in the non-linear regime of cosmological evolution), cosmological N-body simulations are needed, for which codes that can solve for the scalar field must be developed. We present a new implementation of scalar-tensor theories of gravity which include screening mechanisms. The code is based in the already existing code RAMSES, to which we have added a non-linear multigrid solver that can treat a large class of scalar tensor theories of modified gravity. We present details of the implementation and the tests that we made to it. As application of the new code, we have studied the influence that two particular modified gravity theories, the symmetron and $f(R)$ gravity, have on the shape of cluster sized dark matter halos and found consistent results with previous estimations made with a static analysis.

研究动机与目标

• 开发一种适用于宇宙学 N体模拟中具有屏蔽机制的标量-张量引力的灵活非线性多重网格求解器。
• 实现对 $\Lambda$CDM 之外修改引力理论中大尺度结构形成过程的精确预测。
• 研究时间演化对对称子与 $f(R)$ 引力模型中暗物质晕形状的影响。
• 提供一种新型模拟工具，通过独立实现增强现有代码的鲁棒性并实现互补。

提出的方法

• 在 RAMSES 代码中扩展非线性多重网格求解器，以处理具有屏蔽机制的标量-张量理论中的标量场方程。
• 在准静态近似下求解引力势 $\Phi$、标量场 $\phi$ 与粒子轨迹的耦合方程组。
• 采用自由形式函数 $S(\phi, \rho, a)$ 与 $\mathbf{g}(\phi, \nabla\phi, a)$，实现对多种修改引力模型的广泛适用性。
• 应用静态近似以降低计算成本，同时保持高分辨率模拟的灵活性。
• 通过标量场剖面与力收敛性测试验证代码，确保数值稳定性。
• 在对称子与 $f(R)$ 引力下执行星系团尺度晕的宇宙学模拟，将晕的形状与 $\Lambda$CDM 进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标量-张量引力中引入第五种力后，其对非线性 regime 中暗物质晕形状演化的影响如何？
• RQ2 对称子与 $f(R)$ 引力中的屏蔽机制在多大程度上改变了星系团尺度晕的椭圆率，相较于 $\Lambda$CDM？
• RQ3 标量场与物质分布的时间演化是否导致晕形态偏离静态预测？
• RQ4 第五种力的作用范围如何影响 $f(R)$ 引力模型中晕的最终形状？
• RQ5 对称子模型中形状效应的质量依赖性是否有助于区分不同参数区域？

主要发现

• 与 $\Lambda$CDM 相比，对称子模型增加了晕的椭圆率，与先前的分析估计一致，表明其在星系团形状中具有可探测的特征。
• 在 $f(R)$ 引力中，当第五种力为长程时，晕可能比 $\Lambda$CDM 中略为球形，这一反直觉结果未被静态分析所预测。
• 标量场与物质分布的时间演化导致对称子与 $f(R)$ 模型中的椭圆率高于静态假设下的结果，证实了动力学演化的重要性。
• 代码实现成功捕捉了非线性标量场行为与第五种力效应，且在不同分辨率与参数设置下结果稳定。
• 对称子模型中形状效应的质量依赖性在参数空间中呈现差异，暗示可通过标度关系区分模型。
• 结果表明，星系团椭圆率或可作为约束标量-张量理论的探针，尤其在结合流体动力学效应与强引力透镜统计时。