[论文解读] Tidal stripping of dark matter subhalos by baryons from analytical perspectives: disk shocking and encounters with stars

Gaétan Facchinetti, Martin Stref+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

本文通过解析方法研究了星系中重子组分对暗物质亚晕的潮汐剥离，重点分析恒星相遇与盘面冲击的影响。结果表明，恒星相遇能有效清除质量低于约1 M⊙的亚晕，使其数量密度在盘面冲击效应基础上额外降低一个数量级；而盘面冲击则优先剥离质量更大、更致密的亚晕，导致其潮汐质量函数与宇宙学质量函数显著不同。

ABSTRACT

The cold dark matter (CDM) scenario predicts that galactic halos should host a huge amount of subhalos possibly lighter than planets, depending on the nature of dark matter. Predicting their abundance and distribution has important implications for dark matter searches and searches for subhalos themselves, as they could provide a decisive test of the CDM paradigm. A major difficulty in subhalo population model building is to account for the gravitational stripping induced by baryons, which strongly impact on the overall dynamics inside galaxies. In this paper, we focus on these "baryonic" tides from analytical perspectives, summarizing previous work on galactic disk shocking, and thoroughly revisiting the impact of individual encounters with stars. For the latter, we go beyond the reference calculation of Gerhard and Fall (1983) to deal with penetrative encounters, and provide new analytical results. Based upon a full statistical analysis of subhalo energy change during multiple stellar encounters possibly occurring during disk crossing, we show that subhalos lighter than $\sim 1$~M$_\odot$ are very efficiently pruned by stellar encounters. This modifies their mass function in a stellar environment. In contrast, disk shocking is more efficient at pruning massive subhalos. In short, if reasonably resilient, subhalos surviving disk crossing have lost all their mass but an inner cuspy part, with a tidal mass function strongly departing from the cosmological one. If fragile, stellar encounters make their number density drop by an additional order of magnitude with respect to disk-shocking effects only (e.g., at the solar position in the Milky Way). Our results can be incorporated to any analytical or numerical subhalo population model, as we show for illustration. This study complements those based on cosmological simulations, which cannot resolve dark matter subhalos on such small scales.

研究动机与目标

• 通过解析方法建模星系盘中重子组分（特别是恒星相遇与盘面冲击）对暗物质亚晕的潮汐剥离过程。
• 量化恒星相遇与盘面冲击在基于质量和抗性差异的亚晕清除效率上的相对贡献。
• 推导星系盘等富含恒星环境中（如银河系盘）亚晕的修正潮汐质量函数。
• 评估这些效应对暗物质探测前景的影响，包括局部密度增强与湮灭率提升。
• 提供一个与半解析亚晕群体模型兼容的、计算上高效的解析框架，补充宇宙学模拟。

提出的方法

• 开发了一套解析框架，通过完整统计处理撞击参数，计算单个恒星相遇引起的能量冲量，超越Gerhard & Fall (1983)的近似方法。
• 考虑了穿透性相遇，并通过解析积分推导出亚晕径向壳层的累积能量冲量分布。
• 通过蒙特卡洛模拟验证解析估计结果，并校正因罕见近距离相遇主导的朴素平均值过高估计的问题。
• 基于暗物质剥离深度提出潮汐效率判据，以判断亚晕是否存活，假设遭遇后内部剖面保持完整。
• 将盘面冲击（平滑势）与恒星相遇（离散势）作为独立但互补的效应，统一整合进一个解析模型。
• 将该模型应用于银河系，采用SL17亚晕群体模型，计算内10 kpc范围内的修正质量函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个恒星相遇如何影响低质量暗物质亚晕的能量与质量演化？
• RQ2 恒星相遇与盘面冲击在星系盘中亚晕潮汐剥离中的相对贡献为何？
• RQ3 由于重子潮汐作用，亚晕质量函数在低质量区段与宇宙学生质量函数的偏离程度如何？
• RQ4 亚晕抗性（脆弱型 vs. 坚固型）对太阳邻近区域幸存亚晕数量密度的影响是什么？
• RQ5 这些潮汐效应如何改变暗物质直接探测与间接探测（通过湮灭信号）的前景？

主要发现

• 恒星相遇能有效清除质量低于约1 M⊙的亚晕，使其数量密度在仅考虑盘面冲击的基础上额外降低一个数量级。
• 盘面冲击优先剥离质量更大、更致密的亚晕，而恒星相遇则主导低质量亚晕的清除过程。
• 幸存亚晕的潮汐质量函数与原始宇宙学生质量函数显著偏离，尤其在低质量端。
• 对于脆弱型亚晕，恒星相遇使内10 kpc区域的亚晕数量密度相比仅考虑盘面冲击时降低一个数量级。
• 该模型预测，在过去10 Gyr中，约有10^3至10^5个质量≥10^{-10} M⊙的亚晕可能穿越太阳系，可能形成可探测的暗流。
• 该解析框架为在亚晕群体模型中高效引入重子潮汐效应提供了计算支持，使参数空间探索范围超越模拟限制。