[论文解读] Primordial black holes as dark matter: cusp-to-core transition in low-mass dwarf galaxies

Pierre Boldrini, Yohei Miki+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文表明，质量在25–100 M$_{\odot}$之间的原初黑洞（PBHs）可通过动力摩擦在低质量矮星系中引发从尖峰到核心的转变，这要求星系中至少1%的暗物质为PBHs。该转变过程耗时1–8 Gyr，具体时间取决于PBH的质量、比例及初始密度分布，为解决矮星系中的核心-尖峰问题提供了可行机制。

ABSTRACT

We use a high performance fully GPU $N$-body code with adaptive time steps to show that dark matter candidates in the form of primordial black holes can induce a cusp-to-core transition in low-mass dwarf galaxies via dynamical friction by dark matter particles at 1 M$_{\odot}$ mass resolution acting on primordial black holes in the mass range 25 - 100 M$_{\odot}.$ This mechanism requires a lower limit on the primordial black hole mass fraction of 1$\%$ of the total dwarf galaxy dark matter content. The transition time-scale is between 1 and 8 Gyr and depends on the mass, the mass fraction and the scale radius of the initial density profile of the primordial black hole distribution.

研究动机与目标

• 研究原初黑洞（PBHs）是否能够解决低质量矮星系中的核心-尖峰问题。
• 确定PBHs改变矮星系中心密度分布的动力学机制。
• 确定引发可测量的尖峰到核心转变所需的最小PBH质量分数。
• 量化尖峰到核心转变的时间尺度，作为PBH质量、质量分数及初始分布的函数。

提出的方法

• 使用高性能、完全基于GPU加速的自适应时间步长N体代码模拟星系演化。
• 将暗物质建模为标准无碰撞粒子与25–100 M$_{\odot}$质量范围内的PBHs的混合物。
• 追踪背景暗物质粒子对PBHs施加的动力摩擦对中心密度分布演化的影响。
• 通过改变PBH质量分数和尺度半径的初始条件，探索参数空间。
• 通过分析随时间变化的中心密度斜率，测量从尖峰到核心的转变时间尺度。
• 确保质量分辨率达到1 M$_{\odot}$，以准确解析单个PBH的动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量在25至100 M$_{\odot}$之间的原初黑洞是否能引发低质量矮星系中从尖峰到核心的转变？
• RQ2 驱动此类转变所需的最小PBH质量分数是多少？
• RQ3 尖峰到核心转变的时间尺度如何依赖于PBH质量、质量分数及初始密度分布？
• RQ4 背景暗物质粒子的动力摩擦在塑造中心结构中起到什么作用？
• RQ5 转变时间尺度是否与低质量矮星系的观测年龄一致？

主要发现

• 质量在25–100 M$_{\odot}$范围内的原初黑洞可通过动力摩擦在低质量矮星系中诱导从尖峰到核心的转变。
• 为驱动显著的尖峰到核心转变，PBH质量分数至少需达到总暗物质的1%。
• 转变时间尺度在1至80亿年之间变化，具体取决于PBH质量、质量分数及初始尺度半径。
• 该机制仅在PBH足够大且数量足够多，能对周围暗物质粒子施加强引力阻力时才有效。
• 在模拟过程中，中心密度分布从尖峰（陡峭斜率）演变为核心（平缓斜率）。
• 结果表明，PBHs可在不引入额外物理机制的情况下，解决低质量矮星系中长期存在的核心-尖峰问题。