重子物理对微暗晕形成的影响

Under the current standard cold dark matter cosmology and the popular dark matter particle model, the gamma rays from dark matter annihilation are dominated by dark matter mini-haloes. Usually, the annihilation signals from mini-haloes are calculated by extrapolating the results from high-resolution pure dark matter simulations ignoring baryonic effects. As we know, mini-haloes have too shallow potential wells so that they cannot accrete inter-galactic gas with the same ratio as those in massive haloes. This effect will delay the formation of early structures in the universe. Furthermore, the relative velocity between gas and dark matter in the early universe and cosmological reionization will further affect the gas accretion of mini-haloes and the structure formation in the universe. This project plans to use cosmological hydrodynamic simulations modelling the baryonic physics mentioned above, and adopt multigrid resimulation methods to improve the numerical resolution to study the formation and properties of mini-haloes (with mass M=10^-6 to 10^8 solar mass) at redshift z=0, and investigate the impacts of baryonic physics on mini-haloes' density profiles and halo mass function. Thanks to the simplicity and cleanness of the baryonic processes in mini-haloes, this project will build a clear picture of the formation and evolution of mini-haloes, and it will be beneficial for calculating dark matter annihilation signals from mini-haloes precisely.

在当前标准冷暗物质宇宙学以及流行的暗物质粒子模型下，暗物质湮灭伽玛辐射由微暗晕(mini-halo)主导。目前对微暗晕产生湮灭强度的计算主要从高精度纯暗物质模拟结果外推而来，重子物理过程往往被忽略。然而，星际间气体具有一定温度，而微暗晕的势阱非常浅，以致不能吸积和大暗晕同样比例的气体。这个效应预期会延缓宇宙早期结构形成。另外，宇宙早期气体和暗物质的速度不同，和宇宙再电离过程都会对微暗晕吸积气体进而对宇宙结构形成产生进一步的影响。本项目拟发展宇宙学流体力学模拟，考虑上述重子物理过程，采用多层次再模拟的方法来提高模拟解析度，研究红移z=0的微暗晕(质量M=10^-6至10^8太阳质量)的形成和性质，从而探究重子物质对微暗晕的密度轮廓和质量函数的影响。由于微暗晕的重子物理过程非常简单干净，本项目的顺利实施将会建立起精确的微暗晕形成和演化的图像，也有益于更加准确地预言微暗晕的暗物质湮灭信号。

在当前标准冷暗物质宇宙学和流行的暗物质粒子模型下，暗物质湮灭的伽玛辐射由微暗晕(M200<10^8太阳质量)主导。在以往的工作中，对微暗晕产生湮灭强度的计算主要从高精度纯暗物质模拟结果外推而来，重子物理过程往往被忽略。在本项目中，我们利用高精度的N体+流体力学数值模拟研究微暗晕的形成和结构。主要研究内容包括：(1)我们量化了预初始条件对暗晕性质的数值收敛性；(2)研究了环境效应对暗晕性质和暗晕中的重子物理过程的影响；(3)通过对空洞区域进行多层次的放大再模拟，我们探究了重子物理过程（气体流体力学、辐射致冷和宇宙再电离过程）对微暗晕的形成和结构（暗晕质量函数和密度轮廓）的影响；(4)量化这些重子物理对微暗晕的暗物质湮灭强度的影响。本项目的结果将有助于建立更加精确的微暗晕形成和演化的图像，量化重子物理过程对微暗晕质量函数和密度轮廓的影响，提高计算暗物质湮灭信号的理论模型。