[论文解读] Solitons in the dark: non-linear structure formation with fuzzy dark matter

Mattia Mina, David F. Mota+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用 10

一句话总结

本研究使用 SCALAR 代码对模糊暗物质（FDM）进行了宇宙学模拟，将暗物质建模为质量为 $m_{\rm B} = 2.5 \times 10^{-22}$ eV 的标量场，其演化遵循薛定谔-泊松方程。研究发现，FDM 会形成束缚态核心，抑制小尺度结构，导致星系晕的密度剖面更平缓，并在旋转曲线中产生中心速度峰；同时，核心-晕质量关系符合 $M_{\rm core}/M_{\rm halo} \propto \Xi^{1/3}$，但核心半径与表面密度的标度关系与矮星系的观测结果相矛盾。

ABSTRACT

We present the results of a full cosmological simulation with the new code SCALAR, where dark matter is in form of fuzzy dark matter, described by a light scalar field with a mass of $m_{ m B} = 2.5 imes 10^{-22}$ eV and evolving according to the Schrödinger-Poisson system of equations. In comoving units, the simulation volume is $2.5 ~ h^{-1} { m Mpc}$ on a side, with a resolution of $20~h^{-1}{ m pc}$ at the finest refinement level. We analyse the formation and the evolution of central solitonic cores, which are found to leave their imprints on dark matter density profiles, resulting in shallower central densities, and on rotation curves, producing an additional circular velocity peak at small radii from the center. We find that the suppression of structures due to the quantum nature of the scalar field results in an shallower halo mass function in the low-mass end compared to the case of a $Λ$CDM simulation, in which dark matter is expected to cluster at all mass scales even if evolved with the same initial conditions used for fuzzy dark matter. Furthermore, we verify the scaling relations characterising the solution to the Schrödinger-Poisson system, for both isolated and merging halos, and we find that they are preserved by merging processes. We characterise each fuzzy dark matter halo in terms of the dimensionless quantity $Ξ\propto \left | E_{ m halo} ight |/M_{ m halo}^3$ and we show that the core mass is tightly linked to the halo mass by the core-halo mass relation $M_{ m core}/M_{ m halo} \propto Ξ^{1/3}$. We also show that the core surface density of the simulated fuzzy dark matter halos does not follow the scaling with the core radius as observed for dwarf galaxies, representing a big challenge for the fuzzy dark matter model as the sole explanation of core formation.

研究动机与目标

• 研究以模糊暗物质（FDM）为主导的宇宙中非线性结构的形成，FDM 为质量为 $m_{\rm B} = 2.5 \times 10^{-22}$ eV 的标量场。
• 检验 FDM 是否能解决 $\Lambda$CDM 模型中的小尺度问题，如核心型密度剖面和子晕过量问题。
• 检验在宇宙学背景下，星系晕并合过程中束缚态核心形成及其标度关系的鲁棒性。
• 将模拟的 FDM 星系晕特性（尤其是核心表面密度和半径）与低表面亮度矮星系的观测结果进行比较。

提出的方法

• 使用 SCALAR 代码进行模拟，求解标量场暗物质组分的薛定谔-泊松系统。
• 模拟体积为边长 $2.5\, h^{-1}{\rm Mpc}$，在最细分辨率下达到 $20\, h^{-1}{\rm pc}$，采用自适应网格加密。
• 加密标准基于固定密度阈值，但未来计划改用红移相关的长斯长度标准。
• 通过无量纲不变量 $\Xi \propto |E_{\rm halo}| / M_{\rm halo}^3$ 分析晕的性质，该量将核心质量与晕质量关联。
• 计算旋转曲线和密度剖面，评估束缚态核心对可观测动力学的影响。
• 测试孤立和并合星系晕中核心质量、半径与晕质量之间的标度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 模糊暗物质是否在宇宙学晕中形成稳定的束缚态核心？其对暗物质密度剖面和旋转曲线有何影响？
• RQ2 FDM 模拟中的核心-晕质量关系与理论预期相比如何？在主要并合过程中是否保持不变？
• RQ3 模拟的 FDM 星系晕在多大程度上重现了低表面亮度矮星系中观测到的核心表面密度与核心半径的标度关系？
• RQ4 FDM 模型是否足够抑制小尺度结构，从而缓解 $\Lambda$CDM 模型的子晕问题？
• RQ5 考虑到核心表面密度标度关系的张力，FDM 模型能否单独解释矮星系中观测到的核型剖面？

主要发现

• 模糊暗物质晕会形成中心束缚态核心，导致小半径处出现显著的圆周速度峰，与 $\Lambda$CDM 模型的尖锐剖面明显不同。
• 核心-晕质量关系符合 $M_{\rm core}/M_{\rm halo} \propto \Xi^{1/3}$，确认了与先前研究一致的 $1/3$ 指数。
• 在 $z \sim 4$ 到 $z \sim 3$ 期间，两个大质量星系晕的并合过程保持了核心质量-半径关系和核心-晕质量标度关系。
• 模拟的 FDM 星系晕中，核心半径与晕质量呈负相关，与矮星系中观测到的 $R_{\rm core} \propto M_{\rm halo}^{1/2}$ 趋势相矛盾。
• FDM 星系晕中的核心表面密度不遵循观测到的 $\Sigma_{\rm DM} \propto R_{\rm core}^{-1}$ 标度关系，对 FDM 模型作为观测核心唯一解释提出了挑战。
• 当前基于固定密度阈值的加密策略可能无法充分解析后期形成、质量较低的星系晕，表明需要采用基于红移相关长斯长度的加密标准。