温暗物质宇宙学中的星系形成

The mass of the Universe is dominated by dark matter, a type of matter that only has gravitaional interaction. However, we know little about the nature of dark matter. In particle physics, sterile neutrino is one common candidate of dark matter, which belongs to warm dark matter phenomenologically. Compared with the current standard cold dark matter cosmology, warm dark matter predicts differently on small scales of the Universe. On the other hand, baryon also plays an important role on small sclaes of the Universe. Therefore, degeneracy exists between modifying dark matter property and changing baryonic physics, in explaining the controversial observations on small scales. In this project, we will develop warm dark matter N-body cosmological simulation with high resolution, to study the numerical effect of warm dark matter simulation in detail. Using a corresponding cold dark matter simulation, and combined with semi-analytic models of galaxy formation, we will compare the predictions of warm and cold dark matter cosmology on various properties of the Universe and on various scales, in order to break the current degeneracy between cold and warm dark matter models, and to find out the best observations to constrain the phenomenological property of dark matter. A self-owned semi-analytic model with improvements on the current models will also be developed during this project.

宇宙的主要物质成分由仅具有引力作用的暗物质主导，然而我们对暗物质粒子的属性所知甚少。从粒子物理理论角度出发，无性中微子是一个非常有力的暗物质粒子候选者，它在唯象性质上属于温暗物质。温暗物质在预言宇宙小尺度结构上区别于目前流行的标准冷暗物质宇宙学。然而在宇宙小尺度上，重子物理同时扮演着重要的角色。因此，目前在解释一些广受争议的小尺度天文观测问题上，形成了修改暗物质或者重子物理两者皆可的简并答案。本项目将发展高精度N体温暗物质宇宙学数值模拟，仔细考虑温暗物质模拟的数值效应。同时利用同等条件的冷暗物质数值模拟，结合星系形成半解析模型，系统比较二者对宇宙多尺度结构多种属性上的预言，以期打破目前冷、温暗物质模型简并局面，遴选出限制暗物质唯象性质的最优观测量。项目执行期间将形成一套自有的，对现有半解析模型有诸多改进的星系形成半解析模型。

目前我们对宇宙的主要物质成分暗物质粒子的属性所知甚少。从粒子物理理论角度出发，无性中微子是一个非常有力的暗物质粒子候选者，它在唯象性质上属于温暗物质。温暗物质在预言宇宙小尺度结构上区别于目前流行的标准冷暗物质宇宙学。然而在宇宙小尺度上，重子物理同时扮演着重要的角色。因此，目前在解释一些广受争议的小尺度天文观测问题上，形成了修改暗物质或者重子物理两者皆可的简并答案。. 为了打破目前冷、温暗物质模型简并局面，遴选出限制暗物质唯象性质的最优观测量，本项目发展了高精度N体温暗物质宇宙学数值模拟，仔细考虑温暗物质模拟的数值效应。同时利用同等条件的冷暗物质数值模拟，结合星系形成半解析模型，系统比较二者对宇宙多尺度结构多种属性上的预言。项目研究结果发现，大多数的星系的性质在两种暗物质模型中是相似的，都可以比较好地符合目前的观测结果。研究发现的唯一区别明显的性质是对本地宇宙中星系的预言有所差别。在离银河系1-8Mpc的范围内，温暗物质模型给出了对观测的本地星系数目的更好预测。同时，温暗物质宇宙学模型中所预测的观测到的本地空洞的出现概率是冷暗物质模型中的5倍。这一结果对未来的星系巡天观测给出指导，更完备细致的关于本地星系的巡天可能对限制暗物质本质给出关键证据。. 同时，项目执行期间形成了一套自有的，对现有半解析模型有诸多改进的星系形成半解析模型，特别是包含了考虑双星演化的云南星族合成模型，能对双星相关的物理过程做出统计预测和限制。此外，项目执行期间还完成了星系形态研究的相关工作，包括半解析模型和流体动力学数值模拟对星系形态的预言的比较，以及不同类型核球的星系的成团性的研究等工作。