冷暗物质子结构的数值追踪及其湮灭辐射的观测

<正>当前对宇宙的主要观测都指向物质成分为冷暗物质主导的~CDM宇宙学.在冷暗物质的宇宙中,原初的微小扰动在引力作用下增长为位力化的团块,称为暗物质晕.小质量暗晕最先形成,它们之间的相互并合形成了更大质量的暗晕.并合之后,前身暗晕在当前载晕中会以自束缚的子结构形式存活很长时间,称为子晕.在数值模拟中我们可以对子晕的形成和演化进行详细的研究.这种研究为星系形成演化模型提供了基础,同时也影响了我们观测上探测暗物质的方式.     

暗物质晕次结构的演化研究进展

一般认为暗晕是通过等级成团方式形成的:小质量暗晕先形成,进而通过并合形成较大质量的暗晕。并合后的小质量暗晕形成所谓的次结构,目前关于次结构的演化过程和分布特点尚无明确结论。介绍了利用数值模拟、半解析模型和观测来研究次结构分布和演化的进展,并特别讨论了次结构的并合时标、质量函数和空间分布等特性。     

类星体光度和暗物质晕的统计关系

活动星系核的能量反馈是星系形成理论模型中的一个重要物理过程,与星系所处的暗物质晕质量、星系中央大质量黑洞吸积率等因素有关。当前的半解析模型预测活动星系核反馈机制主要有两种模式:射电模式和类星体模式,前者主要发生在大质量暗晕中央的大质量星系中,后者主要由较小质量星系并合导致。利用斯隆数字化巡天(SDSS)提供的目前最大的类星体光谱观测样本,结合基于SDSS构建的星系群(团)表,从统计上分析了类星体的热光度和暗晕质量的分布情况。初步分析结果显示,在大质量暗晕中,类星体的热光度和所在暗晕的质量没有相关性,类星体所在暗晕的质量分布很广,进一步证实了高光度的类星体并不存在于大质量的暗晕中。     

重子物质对暗物质晕形状和角动量的影响

利用高精度大样本的冷暗物质($\Lambda$ cold dark matter, $\Lambda$CDM)宇宙学数值模拟的数据, 对重子物质如何影响暗物质晕的形状和角动量进行了研究.使用了3种数值模拟数据, 纯暗物质模拟、含辐射冷却、恒星形成和动力学超新星反馈的模拟, 包含活动星系核反馈效应的恒星形成模拟. 对这3种模拟, 还进行了不同红移处的比较. 主要结果如下.重子物理过程会改变暗物质晕的质量分布, 特别是有活动星系核反馈机制的情况下.比如, 活动星系核反馈会减少大质量暗物质晕的形成.随着宇宙的演化, 暗物质晕的空间形态逐渐由扁变圆. 重子物质的存在会加速暗物质晕形状的变化过程, 而且会使暗物质晕形状变得更圆. 但是活动星系核的反馈会对这一加速效应产生抑制.重子物质对暗物质晕的影响与暗物质晕的质量和半径都存在一定的依赖性.暗物质晕的质量越大, 它会呈现更扁的形态. 同时, 重子物质对任意质量的暗物质晕或暗物质晕在任意半径处的变圆均有一定的促进作用,尽管活动星系核反馈会抑制这一促进作用.特别是对于暗物质晕在0.2--0.6倍维里半径处的形状, 重子物质的影响尤为明显.此外, 重子物质的存在会对暗物质晕的角动量产生显著影响, 它会增大暗物质的角动量. 暗物质晕的自旋参数与质量无相关性, 但是与暗物质晕的半径存在一定的相关性.     

暗晕的并合

系统介绍暗晕-暗晕并合在理论方面的形成与发展,并简要介绍了其在数值模拟检验(冷暗物质模型)及拟合方面的进展。暗晕-暗晕并合率问题可与星系-星系并合率联系,正确地定义暗晕-暗晕并合率很重要,影响并合率的因素却很多,从数值模拟所得到的拟合公式往往存在较大差异,这些差异主要来自于定义:对并合的定义(并合树的建立),对暗晕质量的定义以及并合暗晕前身质量比的定义。数值模拟输出的时间步长也会对此有所影响,此外暗晕并合率也与环境强烈相关。对这些因素所导致的差异做了简单比较。此外,对于暗晕并合率的统计可分为对不同红移处的拟合和对z=0时刻对其并合历史的拟合,其中后者对不同质量的暗晕往往能给出一个较统一的拟合公式。     

盘星系并合的数值模拟

使用一系列的模拟,包括了不同的轨道参数、主并合与小并合,以及不同的恒星盘自旋角动量与轨道角动量的耦合方式,来研究盘星系的并合过程中,顺行交会和逆行交会对并合过程会产生怎样的影响.这些影响包括并合时标、轨道形态、星系的恒星及暗物质成分剥离效率、星系的形态变化,以及形成的潮汐结构等.研究发现,由于在并合过程的前期,逆行并合的恒星剥离效率要明显小于顺行并合,因此会形成小得多的潮汐结构.但与通常认为的相反的是,与顺行并合相比,逆行并合并没有显著改变轨道形态和增大并合时标,对恒星成分的剥离效率也没有显著的影响.与顺行与否相比,潮汐半径在小并合时,卫星星系恒星成分被潮汐剥离的过程中扮演着更重要的角色,潮汐半径与恒星盘标长相等的时刻可以被认为是卫星星系恒星盘瓦解的时刻.     

卫星星系动力学状态对星系属性的依赖

基于Sloan Digital Sky Survey(SDSS)数据,采用van den Bosch等发展的自适应方法从星系样本中挑选出中央星系及其卫星星系,然后研究卫星星系速度弥散与中央星系/卫星星系属性的关系.和之前的研究一致,卫星星系平均速度弥散随着中央星系质量增大而增大,并且红中央星系所在星系群的速度弥散比蓝中央星系要大.发现平均而言,在红中央星系周围,卫星星系的速度弥散和其质量之间没有明显关联.但是在蓝中央星系周围,质量大的卫星星系速度弥散偏大,而红卫星星系的速度弥散要比蓝卫星星系偏大.进一步的研究表明,在相同的暗晕中,卫星星系速度弥散和卫星星系质量并不相关.有意思的是,如果红中央星系周围同时有红和蓝卫星星系,那么红卫星星系的速度要小,对其中的物理机制进行了初步的探讨.此外还发现,若中央星系周围只有红或蓝(质量大或小)的卫星星系时,有红(或质量大)的卫星星系所在的暗晕的速度弥散要大于有蓝(或者质量小)的卫星星系的暗晕,这表明卫星星系属性对于暗晕质量测量是有影响的.     

河外星系动力学质量的多途径测定

利用伴天体(含伴星系、球状星团、晕族天体等)的运动学观测资料,可通过多种方法估测主星系的质量(动力学质量),如自转质量、位力质量、轨道质量、投影质量、示踪质量以及星流法质量等。在诸多已测得动力学质量的河外星系中,以仙女星系(M31)的相关工作为最多,对此做了简要的介绍和讨论。     

宇宙大尺度结构空洞的演化研究

为了研究空洞的演化以及暗物质空洞和星系空洞的差别,使用一组高精度的N体模拟数据以及基于此给出的半解析模拟星系数据,在红移2.03到红移0之间取了6个红移的数据,并使用VIDE (Void Identification and Examination toolkit)算法来找空洞,对星系空洞和暗物质空洞的统计性质比如丰度、数目、大小、形状、叠加密度轮廓等演化的比较的结果表明,随着红移的减小,空洞的数目逐渐减少、内部密度逐渐变小、体积逐渐增大、空洞的形状越来越扁.暗物质空洞和星系空洞的数目、平均大小、平均椭率的比值与红移呈线性关系.此外,不论是暗物质空洞还是星系空洞,小的空洞密度比在分布上比大空洞的低,更容易贯通并合,演化效应更明显.另外由于星系总是形成于暗物质密度场的高密度区域,使其不容易示踪暗物质空洞的一些薄弱的墙结构,导致星系空洞提前贯通.而对于已经形成的星系空洞而言,即便是其墙上最薄弱的地方也往往堆积着显著的暗物质,使得星系的位置保持稳定,甚至形成新的星系,从而抑制星系空洞的贯通.整体上暗物质空洞的演化要比星系空洞的演化更加明显.     

暗物质主晕与其子晕的自旋方向相关性研究

利用高精度大样本Λ冷暗物质(Λcold dark matter,ΛCDM)宇宙学数值模拟的结果,对暗物质主晕与其子晕的自旋方向相关性进行了研究。本文用两者自旋方向夹角的余弦值〈 cosθ〉作为指标,观察〈 cosθ〉随两者之间距离以及红移的变化。若暗物质晕的自旋方向在空间随机分布,则按统计理论可得〈 cosθ〉应为0;若〈 cosθ〉大于0,则表示暗晕之间自旋方向正相关;若〈 cosθ〉小于0,则表示暗晕之间自旋方向反相关。主要得到三个结果:第一,子晕自旋方向在空间的分布非随机,越靠近主晕内部,〈 cosθ〉越大且为正值,与主晕的自旋方向相关性越强烈。当子晕与主晕质量相当时,在主晕的百分之一个维里半径(virial radius)距离处,耦合信号非常强烈,〈 cosθ〉高达约0.8;而在主晕的维里半径距离处,相关性几乎不存在。第二,子晕与主晕的质量比越大,相关性越强烈。当子晕与主晕质量比相同时,对于不同质量主晕,如10~(11±0.5)h~(-1)M,10~(12±0.5)h~(-1)M,10~(13±0.5)h~(-1)M,10~(14±0.5)h~(-1)M(其中M为太阳质量,h为无量纲哈勃常数),相关性曲线几乎重合。第三,该相关性不依赖于红移。但高红移处仍需更高精度模拟进一步验证。这是首次对暗物质主晕与其子晕自旋方向相关性进行的系统性研究,且相关强度较类似物理量的相关更强。末尾简要讨论了产生该相关性的可能原因和可深入进行的后续研究。