引力热坍缩与星系旋转曲线的多样性

旋涡星系的旋转曲线呈现出巨大的多样性,这对我们理解星系形成和暗物质本质提出了挑战。先前的研究表明,在单位质量截面为$\sigma/m\approx{\cal O}(1)~{\rm cm^2/g}$的自相互作用暗物质(SIDM)模型中,预测的暗物质中心密度与观测到的星系密度吻合良好。在这项工作中,我们探索了矮星系晕中截面更大($\sigma/m\approx20\text{-}40~{\rm cm^2/g}$)的区间。我们将证明,如此强的暗物质自相互作用可以进一步放大由其并合历史继承而来的晕密度的多样性。高浓度晕可以在10 Gyr内进入引力热坍缩阶段,从而产生高密度;而低浓度晕则保持在膨胀阶段,密度较低。我们拟合了14个具有代表性的低面亮度星系的旋转曲线,并展示了在$\sigma/m\approx20\text{-}40~{\rm cm^2/g}$的强SIDM区间内,如何自然地容纳观测到的中心密度的巨大范围。在先前研究中因晕中心密度高而被视为异常值的星系,在此SIDM区间内不再异常,因为它们的晕可能处于坍缩阶段。对于低密度星系,SIDM拟合对截面变化具有鲁棒性。我们的发现为检验引力热坍缩(强暗物质自相互作用的独特特征)以及探索更广泛的SIDM模型空间开辟了新窗口。作为一个例子,我们说明了我们拟合所偏好的较大截面,如何与星系团强透镜观测的上限相结合,挑选出玻恩区间内与轻规范玻色子耦合的暗物质粒子所偏好的SIDM模型空间。