自引力准稳态的性质

初始远非平衡的自引力系统经由无碰撞弛豫动力学形成准稳态(QSS)。这些态可能由结构的自下而上聚集产生,也可能在自上而下框架中产生;它们的准平衡性质由 Jeans 方程很好地描述,并且不是普适的,即依赖于初始条件。为理解此种依赖性的起源,我们给出以不同初始密度涨落谱为特征的初始冷球状系统的数值实验结果。此类涨落的幅度决定了系统是以上而下还是自下而上的方式弛豫。我们发现所得 QSS 的统计性质主要依赖于形成过程中交换的能量大小。特别地,在剧烈的自上而下坍缩中能量交换很大,QSS 显示出具有近乎平坦密度轮廓的内核与准 Maxwell-Boltzmann(各向同性)速度分布,而其外部区域呈现密度轮廓 $\rho(r) \propto r^{-\alpha}$ ($\alpha >0$) 及径向拉长的轨道。我们解析地证明 $\alpha=4$,与数值实验一致。在较不剧烈的自下而上动力学中,能量交换小得多,轨道拉长较弱且 $0< \alpha(r) \le 4$,其密度轮廓很好地由 Navarro-Frenk-White 行为拟合。这种动力学演化在非均匀球状孤立系统及从宇宙学模拟中提取的晕中均被展现。我们考量了这些结果与核心-尖峰问题的关系,结论是若星系经由整体坍缩形成,该问题自然得到解决。