自互动暗物质 halo 的形成与演化

我们推导了第一个完全基于宇宙学的 CDM halo 在非引力碰撞性下的相似解，这为 CDM 自互动暗物质（SIDM）假设对 halo 密度轮廓效应提供了解析理论。碰撞将热量输送至内部，产生恒定密度的核心，而持续的增积将能量注入 halo 以稳定核心以防止重力热失控。与早先尝试相比，这些解答了 SIDM halo 形成与演化的模型，提供比现有 N 体实验更深的见解，并更精确地确定了 halo 密度轮廓与 CDM 自互动截断值之间的依赖关系。对于不同碰撞性参数 Q = s rho_b r_v ~ r_v/l_mfp 的不同取值，出现不同的解，其中 s 为单位质量的散射截断，rho_b 为宇宙平均物质密度，r_v 为 halo 的视直径，l_mfp 为碰撞平均自由程。密度中心的最大平坦化发生在中间值 Q=Q_th 时，此时 halo 达到最大程度的等温平衡。偏好恒定密度核心的密度轮廓（如那些在矮星系和 LSB 旋转曲线中所见）最适合最大平坦化（Q=Q_th）解。如果我们假设矮星系和 LSB 星系在其典型坍缩时代形成 LCDM，那么使 Q=Q_th 的 s 值为 s ~ 200 cm^{2}/g，这远高于基于 N 体实验的 s ~ 0.5-5 cm^{2}/g 的估计。如果 s 与碰撞速度无关，那么相同值 s ~ 200 cm^{2}/g 将使 Q>Q_th 用于星团，这些星团通常仅在最近时形成，导致其中心密度的平坦化较小，核心较小。