[论文解读] Low primordial information content in the Milky Way with warm dark matter

Mark C. Neyrinck|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2014

Statistical Mechanics and Entropy被引用 1

一句话总结

本文研究了在温暗物质（WDM）情景下，形成银河系的区域 patch 所含的原初信息量，发现当 WDM 粒子质量为 1 keV 时，初始条件中仅包含约 10 亿个独立的“像素”——远少于银河系中恒星的数量。如此低的信息量挑战了高阶星系结构可从平滑初始条件中产生的观点，表明在强假设原初决定论且非原初信息源可忽略的前提下，此类低质量 WDM 不被支持。

ABSTRACT

We speculatively examine some issues related to the information content of primordial patches that collapse to form galaxies like the Milky Way. If the dark matter is warm, or if some other process dramatically suppressed small-scale density fluctuations, then the patch that formed the Milky Way would have had low primordial information content. Depending on assump-tions about the accuracy with which the initial conditions are specified, the patch would have contained only several billion independent information-carrying ‘pixels ’ if the warm-dark-matter (WDM) particle had a mass of 1 keV. This number of ‘pixels ’ is much less than even the number of stars in the Milky Way. Like other recent observational tests, this would provide an argument disfavoring such a low mass, under two strong assumptions: (1) a high degree of structure in the Milky Way cannot arise from very smooth initial conditions, and (2) non-primordial information/randomness sources are negligible. An example of a non-primordial information source is a central black hole with an accretion disk and jets, which in princi-ple could broadcast small-scale quantum fluctuations throughout the galaxy. This brings up a question, and even, in principle, a test (if the dark matter is warm) about the scale at which structure in the Galaxy is entirely deterministic from the initial conditions. Key words: large-scale structure of Universe – cosmology: theory

研究动机与目标

• 在温暗物质（WDM）假设下，评估形成银河系的初始区域 patch 的原初信息含量。
• 评估在原初信息含量较低的初始条件下，能否解释银河系中观测到的高阶结构水平。
• 通过将预测的初始信息含量与银河系的复杂性进行比较，检验低质量 WDM（如 1 keV）的可行性。
• 研究非原初信息源（如具有吸积盘的中心黑洞）在可能掩盖或补充原初结构中的作用。
• 探讨在 WDM 情景下，星系结构是否能完全由初始条件决定，尤其是在小尺度上。

提出的方法

• 在假设温暗物质粒子质量为 1 keV 的前提下，建模形成银河系的初始密度涨落 patch。
• 通过考虑 WDM 中因自由流导致的小尺度密度涨落被抑制，估算原初 patch 中独立承载信息的“像素”数量。
• 应用一种理论框架，将初始条件视为有限的信息源，信息含量以自由度或独立模态的数量来量化。
• 将估算出的原初“像素”数量与银河系中恒星数量（~10^11）进行比较，以评估如此低的信息含量是否足以解释观测到的星系结构。
• 评估非原初信息源（如具有喷流和吸积盘的活动星系核）对星系整体信息含量的影响。
• 通过询问在 WDM 情况下，所有结构是否都能追溯到初始条件，来评估星系结构的决定论性，尤其是在初始信息含量较低的前提下。

实验结果

研究问题

• RQ1 如果暗物质为温暗物质且质量为 1 keV，形成银河系的原初 patch 中将包含多少个独立承载信息的“像素”？
• RQ2 在假设原初决定论的前提下，银河系中观测到的高阶结构水平能否从如此低信息量的初始状态中产生？
• RQ3 非原初来源（如具有吸积盘的中心黑洞）在星系信息含量中贡献多大程度，是否可能破坏原初决定论？
• RQ4 在何种尺度上，银河系的结构与低质量 WDM 情况下完全由初始条件决定的假设不一致？
• RQ5 在温暗物质背景下，是否存在可检验的原初与非原初结构起源之间的区别？

主要发现

• 当温暗物质粒子质量为 1 keV 时，形成银河系的原初 patch 中仅包含约 10 亿个独立承载信息的“像素”。
• 该数量的原初“像素”远少于银河系中恒星的估计数量（~10^11），表明初始信息量不足以解释观测到的星系结构。
• 如此低的信息含量挑战了低质量 WDM（1 keV）的可行性，前提是高阶星系结构无法从非常平滑的初始条件中产生。
• 该结果依赖于两个强假设：(1) 高阶结构无法从平滑初始条件中产生；(2) 非原初信息源可忽略不计。
• 非原初来源（如具有吸积盘和喷流的中心黑洞）原则上可将小尺度量子涨落广播至整个星系，可能引入与初始条件无关的结构。
• 该研究提出，通过探测结构开始无法由初始条件决定的尺度，可在温暗物质背景下，提出原初与非原初结构起源之间潜在的可检验区别。