[论文解读] The effects of self-interacting dark matter on the stripping of galaxies that fall into clusters

Ellen Sirks, Kyle A. Oman+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 44被引用 8

一句话总结

本研究利用包含重子物理过程的星系团-EAGLE流体动力学模拟，探究自相互作用暗物质（SIDM）如何影响星系团中星系的剥离。结果表明，SIDM星系比冷暗物质（CDM）星系在z=0时质量损失多约25%，且更可能被完全破坏（33% vs. 20%）。然而，最严重剥离的SIDM星系因核心形成和恒星损失而难以被观测到。最具前景的可观测检验是恒星质量与晕质量比，该比值在SIDM星系团中比场域高13倍，而CDM中仅高8倍。

ABSTRACT

We use the Cluster-EAGLE (C-EAGLE) hydrodynamical simulations to investigate the effects of self-interacting dark matter (SIDM) on galaxies as they fall into clusters. We find that SIDM galaxies follow similar orbits to their Cold Dark Matter (CDM) counterparts, but end up with ${\sim}$25 per cent less mass by the present day. One in three SIDM galaxies are entirely disrupted, compared to one in five CDM galaxies. However, the excess stripping will be harder to observe than suggested by previous DM-only simulations because the most stripped galaxies form cores and also lose stars: the most discriminating objects become unobservable. The best test will be to measure the stellar-to-halo mass relation (SHMR) for galaxies with stellar mass $10^{10-11}\,\mathrm{M}_{\odot}$. This is 8 times higher in a cluster than in the field for a CDM universe, but 13 times higher for an SIDM universe. Given intrinsic scatter in the SHMR, these models could be distinguished with noise-free galaxy-galaxy strong lensing of ${\sim}32$ cluster galaxies.

研究动机与目标

• 探究自相互作用暗物质（SIDM）如何改变星系落入星系团过程中的质量剥离与轨道动力学。
• 评估SIDM与冷暗物质（CDM）在星系演化方面的差异是否可观测，尤其考虑到以往仅考虑暗物质的模拟高估了可观测效应。
• 识别在星系团环境中区分SIDM与CDM的最稳健可观测测试，重点关注z=0时的可观测星系属性。
• 评估重子物理过程对SIDM诱导星系破坏的影响，因流体动力学模拟包含反馈与恒星形成，而此前研究仅考虑暗物质。
• 通过比较星系团与场域的恒星与晕质量关系（SHMR），量化SIDM中过度剥离的可观测性。

提出的方法

• 采用Cluster-EAGLE（c-eagle）流体动力学模拟，其中包含辐射冷却、恒星形成与活动星系核反馈等重子物理过程，分别在CDM与SIDM配置下进行。
• 在CDM与SIDM下模拟两个已松弛的星系团（CE-05与CE-12），自相互作用截面为𝜎/m = 1 cm²/g，该值为当前观测约束下的上限。
• 通过z=14至z=0的30个快照，利用Friends-of-Friends（FoF）与Subfind算法追踪星系，并使用D-Trees算法构建合并树，匹配CDM与SIDM模拟中的星系。
• 通过比较z=0时匹配星系的总质量（暗物质+恒星）来测量质量损失，并通过其解体前的最后已知位置追踪破坏过程。
• 分析星系团与场域中星系的恒星与晕质量关系（SHMR），比较CDM与SIDM模型中恒星质量与总质量（M★/Mtot）的比值。
• 利用强引力透镜信噪比估计评估SHMR差异的可探测性，计算表明约需32个星系团星系即可在无噪声条件下区分两种模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准CDM相比，暗物质中的自相互作用如何影响星系落入星系团过程中的质量剥离与轨道演化？
• RQ2 考虑到最严重剥离的星系可能同时损失恒星并形成核心，SIDM与CDM在星系破坏方面的差异在多大程度上可观测？
• RQ3 星系团中恒星与晕质量比（SHMR）能否用于区分SIDM与CDM，尤其是在与场域星系比较时？
• RQ4 恒星形成与反馈等重子过程如何影响SIDM星系团中星系的稳定性，相较于仅考虑暗物质的模拟？
• RQ5 通过星系团星系的强引力透镜效应，区分SIDM与CDM所需的最小信噪比是多少？

主要发现

• 至z=0时，SIDM星系的质量损失比CDM星系多约25%，其中33%的SIDM星系被完全破坏，而CDM中仅为20%。
• 最严重剥离的SIDM星系极不可能被观测到，因其形成大核心并损失恒星，导致可探测的破坏星系数量减少。
• 在恒星质量约为~10^10.5 M⊙时，SIDM中星系团的恒星与晕质量比（M★/Mtot）比场域高13倍，而CDM中仅高8倍。
• 星系团与场域星系间SHMR的差异是区分SIDM与CDM最具前景的可观测测试，因其受内在离散性影响较小。
• 若预测的信号差异成立，约32个星系团星系的无噪声强引力透镜测量即可足够区分两种模型。
• 包含重子物质的流体动力学模拟降低了SIDM的破坏效应，因重子物质可使核心重新收缩并稳定星系。