[论文解读] On the survival and disruption of Earth mass CDM micro-haloes

Ben Moore, Juerg Diemand+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2005

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文挑战了地球质量冷暗物质微晕被银河系恒星破坏的论断，表明其更可能因实际恒星密度低于Zhao等人假设而得以幸存。通过在多次相遇的背景下应用冲量近似，作者发现其破坏 timescale 约为300亿年，意味着大多数微晕能完整保存。其致密核心可能作为高自行伽马射线源保持可观测性。

ABSTRACT

Neutralino dark matter leads to the formation of numerous earth mass dark matter haloes at redshifts z\approx 60 (Diemand et al. 2005). These abundant CDM micro-haloes have cuspy density profiles that can easily withstand the Galactic tidal field at the solar radius. Zhao, Taylor, Silk & Hooper (astro-ph/0502049) concluded that ``...the majority of dark matter substructures with masses \sim 10^{-6}M_o will be tidally disrupted due to interactions with stars in the Galactic halo''. However these authors assumed a halo density of stars that is at least an order of magnitude higher than observed. We show that the appropriate application of the impulse approximation is to the regime of multiple encounters, not single disruptive events as adopted by Zhao et al., which leads to a survival time of several Hubble times. Therefore we do not expect the tidal heating by Galactic stars to affect the abundance of micro-haloes. Disk crossing will cause some mass loss but the central cores are likely to survive and could be detected as gamma-ray sources with proper motions of several arc minutes per year.

研究动机与目标

• 重新评估银河系恒星对地球质量冷暗物质微晕的潮汐破坏，挑战先前关于广泛破坏的论断。
• 纠正Zhao等人（2005年）使用的恒星密度假设，该假设高估了破坏速率。
• 将冲量近似应用于多次相遇而非单次破坏事件，以提高动力学建模的准确性。
• 估算微晕在银河系中穿越盘面及经历分级并合过程后的幸存概率。
• 探讨幸存微晕核心作为高自行伽马射线源的可观测性。

提出的方法

• 应用冲量近似，模拟重复恒星相遇导致的能量转移，考虑多次相互作用而非单次事件。
• 使用观测到的恒星面密度约46 M☉ pc⁻²，以及修正后的晕星密度估计值（约0.0001 M☉ pc⁻²），以约束相遇率。
• 计算出微晕内部能量发生显著变化的临界撞击参数 b_min = 0.012 pc。
• 通过 ΔE ∝ G²r₁/₂²m*²m_haloe/(b⁴v²) 对所有相遇进行冲量加热积分，与结合能 E_bind ∝ Gm_haloe²/r₁/₂ 比较。
• 使用粗略估计值 <0.02 评估每次盘面穿越的破坏性碰撞生存概率，忽略恒星团簇效应。
• 参考数值模拟与半解析模型，指出其局限性，并强调需要进一步基于模拟的验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在合理的恒星密度估计下，地球质量冷暗物质微晕是否能幸存于银河系恒星的潮汐破坏？
• RQ2 冲量近似如何适用于多次相遇而非单次破坏事件的微晕动力学？
• RQ3 在修正银河晕与盘面恒星密度值后，微晕的真实破坏 timescale 是多少？
• RQ4 幸存微晕核心是否能作为具有可测量自行的伽马射线源保持可观测性？
• RQ5 分级并合过程与并合事件如何影响银河系中微晕的幸存？

主要发现

• 银河系晕中恒星密度至少比Zhao等人假设的低一个数量级以上，显著降低了潮汐加热速率。
• 在修正后的晕星密度（约0.0001 M☉ pc⁻²）下，非盘面恒星引起的加热率可忽略不计。
• 微晕内部能量发生显著变化的临界撞击参数为 b_min = 0.012 pc。
• 每次盘面穿越的破坏性碰撞概率小于0.02，表明大多数微晕能幸存通过盘面穿越。
• 在假设微晕在其生命周期中1%的时间位于盘面的条件下，估计的破坏 timescale 约为300亿年。
• 幸存微晕致密核心可能发射可探测的伽马射线，其自行速度可达每年数个角分。