从内而外的暗物质晕

文摘

星系的证据表明,平衡个人和团体或星系团是嵌入在巨大的分布的冷,暗物质弱相互作用。这些暗物质“晕”提供了宇宙中所有发光的脚手架的结构,及其属性包含当前宇宙模型的重要组成部分。我回顾暗物质晕的内部属性,关注简单的普遍趋势预测的数值模拟结构的形成。模拟表明晕应该都有大致相同的球平均密度轮廓和运动学结构和预测简单的形状分布,形成历史,在密度和运动学子结构,在一个巨大的光环范围质量和一致性的所有常见变异宇宙学。我描述的观测进展测试这些预测通过测量质量,形状,配置文件,和子结构的晕使用重子的示踪剂或引力透镜。模拟的一个重要属性晕(可能是最重要的财产)是他们的动力“年龄”,或程度的内部放松。我回顾最近的星系团的引力透镜效应的研究将子结构和放松的大样本测量单个集群晕,生产定量措施的年龄匹配的理论预测。

1。介绍

宇宙中无处不在,在尺度与星系的大小或更大,重力的影响似乎反常地强大。这些观察的最早始于1933年,在通过兹维基1)昏迷星系团。使用来自光学光谱红移,兹维基1600 km / s的速度色散测量星系在昏迷中,表明了大量的集群内部动能。结构的动态稳定,所需的重力势能是20倍会推断单从可见的恒星和气体的分布。兹维基暗示某种“暗物质”,冷到可以有效的无形的光学观测,可能占赤字。“暗物质”一词以来一直与我们,虽然这种想法一直蛰伏了近40年之后兹维基的发现。一代之后,暗物质的想法被鲁宾和福特重新发现。从仙女座星系的研究开始,M31 (2),他们逐渐建立,在郊区的螺旋星系旋转速度远高于可能对于稳定系统绑定在一起的可见气体和恒星。再一次,质量需要解释观测是巨大的,和“暗晕”的概念在每个星系最终被介绍。当时不清楚这件事是否正常,重子(物质的质量是由重子、质子、中子)冷气体的形式或紧凑的对象,或者是否nonbaryonic重要的小说形式。

虽然个别星系M31星系或集群像昏迷集群仍然是强大的探测暗物质的性质和分布,暗物质的证据(和/或nonbaryonic)现在是基于更广泛的比在1930年代或1970年代。的光谱在宇宙微波背景辐射(CMB)的波动,例如,强烈约束构成宇宙的时候不到一百万年的历史。这个时候的辐射密度足够高,与光子相互作用产生实质性的影响消除正常物质的密度的变化(即。,物质的电磁耦合)。弱相互作用问题是免费去对其业务,然而,该组件可以增长一次相应的粒子的波动已经成为绝对的充分冷却。第二和第三声峰的相对高度在宇宙微波背景角度功率谱约束两个分量的比值;连同第一高峰表明宇宙中总物质密度,临界密度的一小部分,而在重子耦合光子只是一部分(3]。两个数字之间的差异必须来自一个组件交互的弱规模或更少。原则上这个黑暗的组件可能腐烂从那时起,但测量大型结构(见,例如,4])和宇宙膨胀(见,例如,(5)找到一个一致的总物质密度较低的红移值。同时,丰富的光元素提供一个独立的重子密度估计,大约是符合宇宙微波背景辐射测量和远低于所需的密度解释大规模结构或宇宙膨胀6]。因此寒冷黑暗的最佳证据nonbaryonic物质或更具体地说,无压组件,支配着物质密度和非相对论在次年初来自宇宙中最大的尺度。这一点有时错过了替代理论只关注星系旋转曲线或类似的测试。

弱相互作用粒子足够的质量的概念是“冷”(或非相对论)在宇宙微波背景的时候并不是不受欢迎的建议对粒子物理学的标准模型的扩展。解释很多情况下微调或奇怪的规模差异在标准模型中,这些扩展引入新的高能重粒子的对称性和新家庭,合作熟悉的低能量状态。超对称,其家族的庞大的搭档是最经常被引用的例子,但是卡鲁扎—克莱恩从高维模式的理论在许多方面是相似的,和其他好的动机模型存在7]。有巨大的希望,大型强子对撞机将生成一个候选人在不久的将来,直接检测实验将检测实验室,或间接检测实验检测其毁灭或衰变产物。然而,并不是所有的候选人很容易检测到;有些人可能躲避大多数或所有试图确定他们(8]。此外,确定候选人的全部属性可能需要输入以及天体物理学实验室或加速器测量(8]。因此天体物理学仍将是一个重要的信息来源暗物质有一段时间了。宇宙丰富、质量、衰减通道,self-couplings或联轴器已知粒子,甚至可能激发态的暗物质粒子(s)最终可能都被来自天体物理测量(9]。

作为一个中央组件在当前宇宙结构形成的照片,冷暗物质(CDM)已经非常成功。标准宇宙模型的结构形成(我指松散的“CDM模型”尽管它包含许多其他成分)假定宇宙包含已知particles-baryons,光子,一个小的贡献从热neutrinos-but也黑暗两个主要组件,弱相互作用冷暗物质和宇宙学常数或一些类似的“暗能量”。鉴于这些成分和从通胀的功率谱在早期,CDM模型预测随后的经济增长波动的物质分布,这些波动的三维功率谱radiation-matter平等之后,温度波动的角度功率谱在宇宙微波背景的散射,和大规模的属性结构发布招商银行。预测在这样良好的协议与大规模的测量这些量,很难构建合理的替代标准的图片。

在有些小的尺度,CDM模型没有指定如何星系或发展的形式,但它的确表明,他们可能形式。分析结构形成的理论和数值模拟表明波动长成virialized晕和预测暗物质晕的丰度和聚类质量和红移的函数。实证模型可以用于地方的星系在这些光环,银河系是一致的丰度和集群以调查。最后,测量的平均引力势与星系,通过ravitational透镜,例如,关闭循环,星系的丰度和聚类模式及其与过量的引力势现在彻底,以至于任何替代的结构形成模型约束进行预测非常类似于标准的清洁发展机制理论迄今为止我们所看到的红移。

简而言之,CDM已通过所有观测测试个人晕或更大的尺度。在这个过程中,观测证据已经大大缩小竞争领域的替代模型。任何工作结构形成理论,无论其物质基础,现在受到观察看起来很像CDM模型。一个不幸的推论是,大规模的测试结构形成可能不再足以在这个领域取得进展。未来的大规模结构的观察,例如,从即将到来的实验测量重子声学振荡(10- - - - - -12),可能会教我们一些关于暗能量的性质,但他们可能不会教我们很多关于暗物质的性质。为此,我们需要更详细的研究个人的光环被这些光谱调查和下一代的广角成像调查(13- - - - - -16]。

事实上,虽然结构形成模型是高度受到大规模的观察,小尺度上的约束相当宽松。如果标准CDM模型是正确的,发光物质不跟踪大多数暗物质结构下明亮的星系质量(晕的规模),没有痕迹任何它下面的规模最小的矮星系(光环的)。在默认的模型中,暗物质的候选者是巨大的,冷,弱相互作用,稳定。在这种情况下,暗物质结构延伸到天平的0.1美或更少(光环的或更少)和规模几乎是不变的17]。为了测试这个难以置信的预测10年或更多的无形的结构填充我们的宇宙,我们需要研究暗物质在高度非线性政权,在光环的核心。这是最小和最古老的暗物质最终结构,也是暗物质达到密度最高,新physics-scattering毁灭或衰变为其他粒子应该是最明显的。事实上,由于银河系是嵌入在暗物质光环和我们居住相对接近其中心(中央3%内半径),任何地方暗物质的研究必须面对CDM结构形成的高度非线性的政权。在这个意义上,我们认为暗物质晕的必然是一个“内幕”的观点。

在这篇文章中,我回顾一些我们所知道的,我们可以了解暗物质晕的内部结构。文学在这一领域是广泛的,而不是提供一个详尽的调查我有关注一些关键概念和简单的结果。自从评论关于这个话题是不幸的是罕见的,我试图包括足够的基本解释材料主要的非专业人士写的结果可以更广泛的受众。节2,我首先介绍一些基本元素从标准结构形成理论,并阐明为什么晕对应于“非线性”结构。部分3评论令人惊讶的出现了普遍性的光环属性,从数值模拟,解释了如何通过合并和吸积光环成长和发展,并介绍了光环“年龄”的概念的描述程度的内部放松。部分4考虑方法确定光环年龄根据观察,使用semianalytic光环子结构模型对它们的有效性进行评估。最后一节5我将讨论这些方法的前景在当前和未来的观测。我不详细讨论特定的暗物质候选人或它们的属性,因为这些已经广泛地查阅其他地方(见,例如,9),但我总结部分5如何测量的光环属性可以帮助限制这些候选人和其他方面的基本物理。

2。从线性到非线性结构形成

值得澄清暗物质晕和非线性结构如何与早期宇宙的线性物理波动。的评论基本宇宙学和线性摄动理论可以在几乎任何教科书上找到宇宙学(见,例如,19)的基本介绍,或[20.]或[21更先进的治疗)。更具体的讨论大型结构可以在找到22]。一个优秀的回顾Press-Schechter理论给出的23]。

如果我们扰乱顺利早期宇宙物质分布在一个地区的少量在平均密度,那么扰动将服从在哪里比例因子,哈勃常数,物质密度相对于临界密度吗。解决这一扰动方程在一个平面,充满物质的宇宙和,我们发现增长的解决方案和解决方案,衰变。自,这意味着增长模式将增加振幅线性振幅与比例因子和独立的。对于更一般的宇宙论的相对数量增长不再是成正比的(见[24)对于一般的讨论),但它仍然是独立的振幅如果振幅很小。如果我们将给定的波动模式分解成不同的傅里叶模式(空间)wavevector,线性增长将保持相对阶段和振幅的不同模式,因为它是独立的。因此波动的空间模式和相应的功率谱的形状将被保留下来只要波动的幅度仍然很小。线性增长的这一特性使它特别容易比较波动在不同的时代和导致了高度发达的统计机器用于研究宇宙微波背景和大规模的结构。

在早期的时候,通货膨胀所带来的物质密度场应该包含与不相关的高斯波动阶段在近临界平均密度。自从阶段和在这个领域相对振幅的波动在后续期间不变线性增长,我们可以描述它们独立于红移其幅值除以一个线性生长因子措施的数量线性增长波动放大了红移相对于参考时代。(注意,有时被定义为线性增长因素,被称为振幅的增长模式,例如,在24]。)规范统一的生长因子,这相当于考虑最初的领域,因为它将如果进化线性至今。平滑线性进化领域的规模我们得到一个新的高斯随机场的方差方差,这是足以描述物质分布统计在这些鳞片。这个函数总结所有的信息(线性)功率谱,虽然所有信息包含在线性增长。

振幅的波动增长,很明显他们的增长必须加速超越线性率。由于早期宇宙是非常接近临界密度,积极密度波动超过这个极限,代表地区净正曲率。这些地区最终将停止扩张,转过身,和recollapse,此时他们正式密度发散。1972年,耿氏和先验哲学认为是均匀的球形区域的行为(在)密度和显示,它将recollapse在一个精确的时间25]。崩溃的时间可以表示的初始条件在一些早期的时候,波动的振幅很小;它对应于初始的时间波动,增长速度的线性,就会达到一个临界阈值。这个关键阈值的值广泛的宇宙论(见,例如,(22,26])。

这简单的结果导致一个非常聪明的分析估计的倒塌晕的丰度,得到了媒体和Schechter [27]。考虑一个地区有一个球平均密度的对比在红移(或比例因子)。该地区将recollapse今天如果其线性密度差超过进化而来在。我们可以把这个条件: 在哪里是统一的线性生长因子归一化在今天吗是波动的振幅线性发展到目前的一天。分数的线性发展的物质密度包含在倒塌的物体在红移因此简单的密度差的地区的分数吗;也就是说, 在倒塌的对象中包含的分数更高的红移是在哪里和是正常的平滑高斯随机变量,而误差补函数是互补误差函数。这两个积分的区别,仅仅在他们的下限;因为更少的增长发生红移一个小派系的领域将会崩溃,所以必须崩溃的门槛更高。

媒体和Schechter的见解是,如果一个分数的分布满足平滑规模时崩溃的标准,分数降低平滑规模增加的时候出现,那么可以认为已经坍塌的区别形成质量范围中的对象。因此区分前面的方程对过滤规模(或相当于封闭质量)导致Press-Schechter光环质量函数的表达式: 的因素将从质量密度、数密度。两个额外的因素已提在这里纠正underdense以来明显少算了过度饮酒的地区微妙的一点Press-Schechter理论(见,28严格的偏差)。

Press-Schechter方法的美妙之处在于,它涉及大量的非线性光环从线性即需要生长因子基本量和波动的光谱,为代表。模型还可以扩展到计算条件概率,例如,一个点的概率将会包含在倒塌的地区的质量在红移然后在一个地区的质量在红移。我将讨论扩展Press-Schechter (EPS)理论和这些条件在部分进一步统计4。在最简单的形式中,然而,Press-Schechter理论有许多不一致,只有大约描述行为的模拟(见,例如,(29日])。我将讨论最近的数值在光环进化在接下来的部分工作。

分析参数告诉我们关于暗物质晕的内部结构吗?完全冷球壳的崩溃,例如,耿氏&先验模型的讨论之前,会产生一个无限密度的峰值在微扰的中心。才会达到真正扰动有限密度,然而,因为即使冷暗物质有一些剩余随机运动相对于哈勃膨胀,因为该地区周围的扰动不会完美的球对称。这两个效应增加的轨道角动量陨落的粒子,让他们远离点。一般来说,任何偏离对称将被放大的崩溃,导致混合轨道和快速的“virialization”系统,通过中部地区到达维里平衡: 之间的势能和动能。崩溃的一个主要的结果球面模型Gunn &先验估计最终密度virialized地区实现。这可以从节能,表明崩溃后的最终大小的球形区域将一半的大小”“扭转乾坤”(其径向速度瞬间为零的时刻)。同时周围的宇宙将继续扩大,增加倒塌的地区之间的对比和宇宙的平均密度。数值计算(见,例如,21)表明,密度反差相对于背景密度将Einstein-deSitter宇宙,或者在LCDM宇宙论略大的值。

virialized地区有达到这个平衡,不再感觉普遍扩张,缺乏后续吸积,其物理尺寸将随时间保持不变。这对任何真正的理想化的情况是永远不会实现的光环,但是。因为一个光环代表一个地区,人们总是可以找到一个更大的密度反差较小的周围地区这样。因为这更大的地区也有净正曲率,它将recollapse反过来,将新材料添加到virialized光环。因此光环永远保持隔离,但继续依附物质宇宙。虽然他们的中部地区在近似平衡,一些新材料被混合到这些地区,和他们的外部区域不断增长,包括越来越多的质量。在银河系这样的系统,例如,维里半径(即。的半径)估计300年左右kpc ([30.,31日)和引用其中),但是物质是合生到光环从一个更大的地区扩展~ 1 Mpc。自从virialization产生一个恒定的密度对比相对于背景,所有的光环在给定的红移预计将有相同的平均密度室内维里半径,这维里密度随时间降低为背景密度减少。

在大尺度平均,宇宙的密度场可以分解为几个不同的组件(见,例如,(32):()的线性政权大规模、低振幅波动与固定comoving大小和一个线性增长幅度;()倒塌,virialized区域对应于个人光环,其大小和密度进化缓慢通过兼并和吸积;(这两个之间)拟线性政权篡改。划分成不同的政权是由正式的“光环模型”,该星系的聚类分解为集群在一个光环在小尺度(“one-halo词”)和集群的多个光环由于线性和拟线性波动在大规模分布(“two-halo”项)33]。在目前的宇宙中,两个政权之间的分裂发生在大约1 Mpc的尺度。接下来我将考虑此事晕内分布,决定了非线性,或“one-halo”,贡献物质分布。

3所示。光环的普遍性的属性

3.1。一个普遍的密度轮廓

球面模型崩溃和Press-Schechter理论仅指定暗物质晕的内部结构应该是什么。估计这一分析方法是推广球形崩溃模型中,考虑一维崩溃不同半径的同心外壳和密度。一个明智的选择的初始运行密度与半径在这样一个模型(汽车)相关函数,用于描述聚类统计的平均密度的物质过剩围绕一个点,并可以从功率谱。一些早期这种分析模型,特别是[25,34,35),预测问题将围绕一个点产生一个径向密度轮廓与一个常数陡峭的幂律的斜率。

尽管有这些分析见解,真正的进步物质分布在晕才发生结构形成的数值模拟开始解决个人晕。初始工作基础上明确表示,光环密度资料并非简单的权力法律[36- - - - - -39),纳瓦罗et al。40,41)确定光环密度轮廓很适合由一个函数形式: 不仅是这种形式不是一个简单的幂律,与合适的选择和它似乎符合所有仿真结果,独立的光环,功率谱和宇宙学。这个概要文件,因为叫Navarro-Frenk-White (NFW)概要或普遍密度轮廓(UDP),是第一个的许多迹象令人惊讶的简单的光环属性。

晕的径向配置文件有许多有趣的功能。第一,而不是规模不变的它们包含了特征长度,NFW半径范围内,概要的对数斜率。这种规模的定义往往是对维里半径通过集中参数 。如下面所讨论的,规模似乎标志着半径划分两个阶段之间的装配的光环,快速阶段,概要文件构建的核心部分,较慢的阶段,一个外层信封周围形成光环与一个陡峭的概要文件。光环内的速度分布大概是各向同性的,也就是说,,尽管外部区域有一个轻微的径向偏差,可能反映了材料的不断入侵径向轨道(42]。也许最令人惊讶的是“pseudo-phase空间密度”一个可以构造密度和速度色散概要文件。放松的光环的一部分,这个量是一个毫无特色的幂律,暗示的可能性之间的基本联系的内在和外在部分密度轮廓(43]。

3.2。普遍的光环增长模式

如上建议,UDP的特性似乎与光环的进化历史。个人光环的增长可以通过指定它的总质量(描述说维里半径内的质量,与平均密度定义为该地区次临界密度)作为红移的函数或比例因子。在下面我将引用这个函数“质量吸积的历史”(MAH)光环,经常考虑规范化的价值。光环增长n体模拟的研究显示,mah形状特征,包括早期的快速增长和经济增长放缓在后期时候,与两者之间的断点不同晕晕。他们已经被安装到的函数形式(44)以及表单(45),但最近的工作(18,46)很清楚这两个方面必须符合mah的全面模拟。在[18),麦克布莱德等人适合一般MAH的出现的形式: 但发现的拟合值和他们获得有关mah的合奏,这表明可能存在一个更好的参数化。

这些解析近似的典型MAH尤其有趣,因为之间的强连接MAH的光环和它的密度轮廓。大致来说,当光环快速增长他们的密度资料保持相对较浅。从工作的47),半径似乎增加与维里半径在这些增长同步,这样浓度参数呆在一个大致恒定值。在较慢的阶段进化的,而维里半径持续增长大约为宇宙的尺度因子(因为维里密度差大约是常数),半径规模保持不变。因此浓度随比例因子在这些静止期。基于这些模式,韦氏et al。45和赵et al。47提供类似的算法预测光环的浓度在任何时候,鉴于其MAH。(见陆也et al。48),这关系的精确形状密度轮廓MAH)。特别简单的模型的韦氏et al .,,在那里的浓度是一个光环经历快速增长和术语是目前的比例因子的比例规模因素当时光环最后停止增长迅速。今天的星系晕的典型浓度12,这表明他们停止了快速增长或4 - 6的浓度,而星系团,表示,他们最近刚刚成立的(/ 3,或)。

3.3。光环形状和自旋

正如模拟晕mah的定义良好的分布,与注意力相关参数,也显示正常和普遍分布的形状。晕一般三轴,轴的比率(见,例如,49- - - - - -51)(尽管他们的潜力可能shapes-cf稍有不同。(52])。典型的例子是更多扩展的(雪茄形)比扁形状(磁盘)。形状是与年龄或合并历史(见,例如,51]),尽管这种相关性建立了只有在平均意义上。一个物理机制可能占[中概述的相关53]。两个光环的系统合并在一个径向轨道可以描述的张量的版本的维里定理,动能和势能的贡献必须最终达成平衡组件的组件。Dissipationless合并暗物质晕应该大致保存个人张量分量,这样最后合并残余会记得最初的取向,流入的一对沿轴和仍将更多的扩展。从这个角度来看,一个晕的形状可能会提供一个有趣的线索合并形成的方向。测试这个想法是有可能利用引力透镜(见,例如,54])或卫星星系的轨道(见,例如,(55])来衡量光环椭圆率对局部结构。

晕还显示了定期的内部速度分布模式。特别是光环似乎相当普遍分布的内在角动量(56净自旋(]和[51]和早些时候引用其中)。整体自旋小;定义一个无量纲参数旋转从规模、质量和能量的一个系统,晕的典型值因此自旋小有助于对抗重力的支持系统。光环中的角动量分布可能与MAH和密度剖面的特征([51)表明,圆晕减少平均净自旋,例如),尽管连接仍有些不清楚。

3.4。光环子结构

晕形成的标准图片表明晕应该包含密集的子结构,可见重子的对应结构组织和集群。晕依附物质不断从周围环境,这个问题可能包括其他virialized晕。事实上,在CDM宇宙论功率谱的形状是这样的方差在小质量增加,所以小区域有一个更大范围的密度比大的对比,更有可能在早期交叉崩溃的门槛。因此,随时有很多小晕比大的宇宙中。最小的光环崩溃和virialize在最早的时间平均达到维里密度高。他们可能会被纳入大晕其核心可以生存,密集的子结构,或“subhalos”。最大规模subhalos(即。,those closest to their parent halo in mass) evolve quickly, but otherwise the evolution is relatively independent of subhalo mass. Thus the mass spectrum of subhalos within a halo at any given time reflects the average cosmic mass function of halos present in the accreted material, although the normalization of the subhalo mass function decreases slowly as individual subhalos lose mass through tidal heating and stripping.

从这张照片,底座应与“年龄”的光环,在某种意义上的平均时间,因为它的质量是组装成一个单一的对象。subhalos对于一个给定的初始谱,可以定量预测通过确定轨道的平均数量subhalos花了父母的光环和假设一定的质量损失发生一次每轨道pericentric通道。更精细的分析或semianalytic模型的进化subhalo质量函数是在57- - - - - -59]。超出了系统的变化随着年龄光环,subhalo质量函数的形状大约是普遍的。它由一个幂律指数截止,我们将在下面进行讨论(参见[60,61年])。

而模拟星系晕和观察字段之间的关系似乎相当简单,subhalos和组之间的联系或集群成员历来是更难理解。最早的模拟没有发现子结构(“overmerging”问题,这是由于缺乏质量和力分辨率(62年]。后终于在集群解决光环子结构(63年- - - - - -65年),模拟快速开始生产太多的组或星系大小晕(66年,67年)远超过需要主机可见矮星系在当地集团为例。这个问题继续产生争议,但超出了本文的范围(见[68年最近的一个评论)。我只想说,如果LCDM模型是正确的,目前的高分辨率模拟个体晕的69年,70年]表明存在大量的子结构的银河系,不是由重子追踪。

3.5。晕的动力学演化

到目前为止我已经关注晕的静态属性,但晕是动力系统。正如上面提到的,他们不断增生新材料,相对光滑的物质和其他一系列的光环。合并的光环与另一个模拟器一直感兴趣,因为它们可能导致星系合并,开一些更壮观的星系进化形态。因此出现了大量的理论和数值分析工作在这个问题上。我将总结一些凸点。

光环的球对称极限增长,subhalo轨道预计将纯径向并开始他们的陨落与一个固定的能量相应的势能转身。在真正的光环,偏离对称的直接环境系统将分散的初始能量和角动量卫星。subhalo轨道的角动量分布在进水口(和(在较小程度上的能量分布)详细研究了许多作者(见,例如,63年,64年,71年,72年]);参见[最近的工作73年,74年]。轨道角动量的可循环参数的特点,在那里轨道角动量和吗圆形轨道角动量的有相同的能量。而言,,最初的轨道分布几乎是统一的,有轻微的峰值。鉴于暗物质晕的陡峭的密度轮廓,这个角动量分布产生主要是径向的轨道,平均轴比6:1 (64年,75年]。

合并之后,subhalo属性发展动力摩擦的影响下,潮汐质量损失,潮汐加热。动力摩擦拖在最大规模的卫星,但是下面变得微不足道([58,76年,77年])。潮汐质量损失峰值在通过pericentre公转强烈。这情景质量损失应该产生相干流(暗物质)碎片像那些在扰乱的恒星系统。从祖subhalo分离后,潮汐流随时间进化很简单,物理很好理解(见,例如,78年,79年])。因为质量损失、加热和流形成每个轨道的时候发生一次pericentric通道,进化的特征时间尺度的光环属性是径向振荡的时间尺度的轨道,,在那里是行星的频率。在任何红移,这个时间表与瞬时哈勃时间(58]。在最初几个轨道之外,subhalos的长期进化是一个未解决的问题。(如果存在的话)目前尚不清楚当subhalos受到重复的质量损失(80年]。这个问题尤其相关最小subhalos的命运,这可能有也可能没有存活了数以百计的轨道在银河系的光环17,81年- - - - - -83年]。

总之,晕显示许多简单的趋势和普遍属性,在某种意义上,他们应用独立的质量或宇宙学。宇宙密度轮廓是最著名的这些属性,但常规质量吸积历史趋势(MAH)和其他数量的相关性与MAH值得进一步考虑。他们认为年龄可能是最重要的财产的光环。最近组装晕巨大的子结构,nonspherical形状,低浓度参数和可能更多的旋转和/或速度各向异性。老晕一般流畅,更多的球,更为集中。在下一节中,我考虑一个特定的例子,这一趋势随着年龄的增长,年龄和底座之间的相关性,在更多的细节。

4所示。定义和测量光环的年龄

如果年龄是光环属性的组织原则,还有如何定义和测量的问题。务实的态度只是晕来构造模型,研究它们与模拟观测,看看观测产生明显的年龄或形成历史的决心。大量的模型晕必须充分探索多元分布在光环属性,所以semianalytic光环模型是一个方便的工具用于这一任务。在本节中,我将使用的模型57,58,84年,85年]研究光环子结构,问如何透镜或x射线研究集群子结构可以确定集群的年龄分布。

4.1。模型

semianalytic模型中引入[57,58)包含两个组件:蒙特卡罗算法生成随机合并历史,或合并“树木”,为个人晕,一个分析的描述subhalo进化它应用于每个卫星subhalo合并与主系统。下面我简要总结每个组件;一个完整的描述,请参见[57,58,84年,85年]。

以下4.4.1。合并树

在扩展Press-Schechter中提到的部分2,增长历史的光环是由质量的分布,平均球先后啤酒尺度。忽略高阶相关性,这与方差分布是高斯当平均规模,在那里是宇宙的平均密度。整个历史的光环可以通过生成随机漫步在密度波动正常,使用高斯变量扩展的规模从无穷(减少,因为密度必须等于定义)的平均值为零,在哪里可能分道扬镳。由此产生的轨迹或然后映射到使用条件随时间进化或红移崩溃。自可以通过规模增加或减少轨迹必须过滤,这样吗单调增加,减少;这对应于找到最大的价值在一个给定的轨迹和假设时崩溃(26]。

这个过程会产生一个随机生成的但质量吸积代表历史。由于过滤操作,这轨迹可能不连续跳跃在质量。这是解释为合并,光环瞬间的质量增加有限。如果每个合并涉及一个其他的光环,我们可以把质量变化与这个新光环和遵循其发展的主要分支。迭代遵循每一个光环在每个分支合并到一些质量分辨率限制,我们可以生成一个“合并树”来描述整个原始对象的形成历史。

有许多微妙之处生成准确的合并树,也没有一个方法是理想的。最近比较的方法是(86年]。合并在一个给定的概率的解析表达式红移一步只能二进制两个光环合并的合并,但这些事件通常不会占整个最终系统的质量,导致额外的分支合并树中的累积质量低于质量和/或解决树。本节中使用的树木被使用的方法生成萨默维尔市和Kolatt87年)选择时间步长足够短,二进制合并在树上很有可能。在实践中,这种方法将主要祖分解成若干个小祖细胞或累积质量稍微过快,导致质量吸积的历史稍微太年轻;这是一个常见的问题对于许多合并树算法(44,86年,88年]。

不准确的一部分可能来自使用的条件概率的方法。在标准的每股收益理论26的概率),从大规模的光环在红移光环的质量在红移可以写成一个简单的单变量的函数,在那里和。这个函数仅仅是无条件概率质量函数,转移到一个新的来源:

这个条件概率假设崩溃阈值独立的质量:,这样。这将是球形的光环;nonspherical晕崩溃阈值是不同的,和系统的趋势光环形状与质量引入净质量依赖崩溃阈值,可以安装与,和,在那里是正常的球形崩溃阈值(89年,90年]。现在势垒高度的变化分别将取决于质量和两个红移,使树合并计算。我们可以简化计算,然而,通过并使用一个近似崩溃的变化阈值: 对于一个固定的红移,发现这个方程的精确解仍然需要迭代本身取决于,但使用作为一个近似球形的值近似的变化阈值,可以计算出在一个通过。准备比较与模拟(泰勒)表明,该近似椭圆形障碍提供了一个很好的匹配测量光环合并在高值的概率,而球形屏障适用较低的值,因此在实践中使用的代码这两种形式之间的转换。使用这些调整合并概率,正确的质量依赖可以包含在合并树,改善他们的年龄分布和mah。

图1显示的分布和值树semianalytic合并使用MAH的拟合。分布非常类似于一个发现麦克布莱德等人的光环千禧年仿真(18),尽管有轻微转向更高的值和/或低的值。这可能表明semianalytic树木仍有点太年轻。(注意的分布绘制在图A1麦克布莱德等人包括晕质量要低得多,所以这就解释了一些区别。)麦克布莱德等人分类MAH形状成4类,显示的颜色在左边面板中。相比他们的统计,47%,36%,10%,和8%的semianalytic树类,II, III, IV,分别与18%,57%,17%,和8%的最巨大的光环的千禧年模拟。因此,虽然这两个分布明显重叠,它们之间的差异表明,绝对数量和年龄分布来源于semianalytic合并树需要校准使用模拟的光环。合并树应该捕获相对年龄和子结构的趋势与质量,和宇宙学红移。

(一)

(b)

图1

18 分布的参数描述质量吸积的历史1000随机生成的合并树。(一)颜色对应的类定义的麦克布莱德等人在]:蓝色:一级,黄色:二类,橙色:第三类,红色:四级。(b)颜色对应形成红移红色:蓝色:绿色:黄色:红色:1。1。虚线表示轨迹的轨迹。为,形成红移是大致沿着这线平行于这一个常数。

同样值得注意的是另一个复杂因素适合mah。在千禧年运行和semianalytic模型,测量参数值集群在一个序列大约在高值的定义通过(图中虚线1 (b))。不同的点沿着线平行于这个序列实际上代表了几乎无法区分符合数值MAH,所以目前还不清楚和代表一个吸积的最佳参数化的历史。的区别更紧密地与相关物理量如形成红移的光环已经组装50%的今天()质量,颜色在图如图所示1 (b)。

4.1.2。Subhalo进化

给定一个序列从树合并的合并,下一个问题是,这些影响晕结构如何?这可以分为两个不同的问题:如何整体性能(质量、浓度、形状等)的光环中改变合并,合并和密集的子结构幸存多少?

模型中引入[58)假设光环质量(真正的引力势)增加此刻瞬间的合并和忽略形状的变化,治疗光环潜在的球形。浓度,它使用一个MAH的转动配合,一起的浓度模型(45)(为其简单选择)在每一个红移。这些选择给全三维的行为只是粗略近似光环出现在模拟,但它们确实抓住了它的一些基本特征。

合并的进化subhalos是复杂的,并详细讨论了在57,58]。短暂,光环轨道计算的(进化)潜在的主要制度;动力摩擦逐渐减少subhalos的能量和角动量,尤其是大规模的;潮汐剥离去除从卫星的外层部分质量;潮汐加热修改他们的内部结构和加速质量损失;最后相遇和碰撞也造成质量损失和散射subhalo速度。这种组合产生所需的物理现实subhalo分布相匹配的高分辨率模拟(84年,85年]。

4.2。Subhalo质量函数和径向分布

晕保留连续并购的痕迹,在暗物质粒子的位置和速度。速度子结构,在连贯的颗粒流的形式相关的轨道,将常见的但可能是只检测到银河系的光环,在那里可以修改计数率直接检测实验(见,例如,91年- - - - - -94年])。真实空间子结构组成的致密核心subhalos生存从之前的合并。自CDM收益结构形成较小的质量晕大质量光环随着宇宙的演化从高密度低密度,大规模低密度晕在低红移将包含许多低质量的未消化的核心,高密度晕,稳定对潮汐剥离提供他们有几次背景的平均密度(见,例如,80年])。

这些核心的质谱和空间分布,或subhalos,特别简单,如图2显示3000 semianalytic光环的合奏的平均质量函数模型。相对于主要的质量光环,subhalo质量的分布是一个幂律指数截止。以这种方式标准化,质量函数几乎不变的红移和变化缓慢与光环质量(参见[60,61年,84年,85年,95年])。halo-centric半径(图的空间分布2 (b))也是非常简单的,直到达到10%维里从中心半径的-20%。小人口大规模subhalos(平均每晕~ 1或更少,质量超过1%的主要光环质量)预计在这个地区。这些都是系统一直在拖动力摩擦和破坏的过程。semianalytic模型忽略重子的影响,然而,在中部地区应该强烈。因此目前尚不清楚有多少真正的集群或星系的中央合并系统存在halos-hydrodynamic模拟将有助于澄清这里的情况。

(一)

(b)

4.3。随时间演化

subhalo质量函数不完全静态的,但随着时间变化系统。而低质量晕在质量达到一个平衡,能量,和角动量损失几轨道后在主光环,大规模subhalos由于动力摩擦发展迅速。因此,大规模的子结构最近的增长和合并是一个关键指标。图3显示了单个semianalytic模型的进化光环。较低的面板显示了总质量的主要光环(上,黑色线)和大众在390年中央kpc构建时间。上面的面板显示了卫星的数量随时间变化。卫星的虚线是大众的,,分别从上到下。坚实的曲线是卫星质量超过0.1%或1%的主要系统的质量,分别从上到下。随着光环的增长,其卫星总数增加,但每个人的质量比subhalo减少,因为它失去了质量通过潮汐剥离和因为母公司光环增加质量。因此光环的振幅质量函数表示的比率随时间衰减,特别是大的值(见,例如,绿色固体曲线的上半部分)。

图3

单个集群演化的光环和时间。底部面板显示了总质量(上黑线)和质量在中央390 kpc(低红线)建立时间。上面的面板显示了卫星的数量随时间变化。卫星的虚线是大众的,,分别从上到下。坚实的曲线是卫星质量超过0.1%或1%的主要系统的质量,分别从上到下。

由于这些趋势,subhalo质量函数的斜率随时间变化。这表明第光环年龄的观测试验,基于子结构。如果一个人可以测量subhalo群众个人晕,特别是在大弥撒结束,然后质量函数的振幅与进化的历史。最近的示踪剂的相关性最强的光环增长等红移,光环建立90%的今天()质量84年),但明显甚至长期追踪,如图4。(注意,这是一个微分质量函数;积分的贡献从所有光环会产生一个更强的信号。)下面,我进一步探究这种理念。

4.4。推断年龄从子结构的观察

在图所示的差异4建议应该有强烈的相关性总子结构的光环和它的形成历史。数值研究发现相似的结果,虽然大halo-to-halo散射(60,96年]。在更广泛的层面上,它一直欣赏集群子结构表明最近的增长(97年]。图5显示了最近的两个区域提取身体与WMAP-7模拟运行参数。为了清晰起见,只有颗粒内1 Mpc的每个区域的中心绘制。图5(一个)包含相对孤立的光环,而图5 (b)抓住一个正在进行的两个组件之间的合并。即使在一个不完美的重建的密度,例如,通过透镜测量融合领域或x射线测量的气体排放在每个区域,观察显然能告诉一个来自另一个。挑战在于检测更微妙的近期增长的迹象,和大样本的光环。

(一)

(b)

星系团是一个诱人的目标在这类研究中,有几个原因。发光的重子可以用来跟踪至少部分子结构的集群晕到很小的值,因为单个星系有质量的比率相对于集群或更少。热气体提供了一个独立测量的形状主要光环潜力,透镜一样。这些追踪器的透镜是更有吸引力,因为它避免了可能的补偿或偏见之间的重子暗物质分布和分布,但它需要大规模集群的深度观察温和的红移。许多组织使用透镜重建物质分布在著名的系统(比如Abell 1689(见,例如,98年,99年))或子弹状星系团(One hundred.]。轨迹的调查(http://www.sr.bham.ac.uk/locuss/)是一个更一般的试图衡量潜在的形状在一个大的样本群晕和相关质量分布在集群星系动力学状态和数量。

这些研究结合大规模弱透镜测量(测量弱扭曲的星系形状只在平均值明显超过数百个星系),总体质量分布在集群中,强劲的透镜观察,它可以揭示小规模集群功能的核心部分。结构的相对贡献预测质量分布在集群中可以充分估计通过比较光滑的椭球模型质量分布推断的观察。特定孔径的选择(大约390 kpc的轨迹,基于相机的视场和集群的红移),两者的区别,规范化的总质量,给出了子结构分数。它是容易计算的分布semianalytic模型,假设一套完美的观察重建完整的质量分布在整个孔径精度高。目前还不太清楚(和正在进行的工作的主题)的差距在透镜地图如何影响测量在真正的集群。尽管如此,初步比较模型与数据显示良好的通用协议(101年]。

的预测分布大概是日志正常,如下面所讨论的。子结构分数与红移形成强烈相关和前面定义,虽然在这两种情况下不是很单调(图的关系6)。如前所述(101年),系统形成了最近,合并材料尚未达到光环的中心。因此系统有时中央子结构分数相对较低。两个面板中的虚线表明形成红移,这样合并子结构达到光环的中心,是在其第一次pericentric通道。除了这一点形成时代和底座之间的相关性分数是明确的和单调。只有这些数据对应的垂直轴可观测的数量,装箱,但很明显一个可以选择的样本群有不同的年龄分布。因此,测量代表一个现实的方法来确定的潜在分布光环。

(一)

(b)

最后,我注意到类似的工作约束子结构分数与透镜观测技术还可以在较小的质量尺度,个别星系晕的。虽然个别星系都没有足够的质量是通过弱透镜,发现中部地区达到表面密度高到足以产生强大的背景星系透镜或类星体。子结构的光环透镜系统可以产生亮度的变化(见,例如,102年- - - - - -104年)、图像位置(见,例如,105年]),或多个图像之间的时间延迟变量背景来源(见,例如,106年])水平(107年)最近的一次审查。分离的信号从黑暗和明亮的子结构如此规模的更复杂,因为有可能污染微透镜的透镜星系的星星,因为许多subhalos足以产生可检测的变化透镜潜在的宿主星系明亮不足以检测在宇宙学红移。尽管如此,与即将到来的大样本强劲的镜头,这可能是很有前景的测量方式黑暗子结构在非常小的尺度上(见,例如,108年])。

5。前景

简单,光环parameters-concentration的普遍分布,形状、旋转,substructure-that摆脱数值模拟,这些量之间存在密切的相关性,表明一个或两个主要属性确定暗物质晕的内部结构。部分3回顾了证据表明光环的浓度参数直接决定其质量吸积的历史,和部分4我表明子结构也应该反映形成的历史。semianalytic模型用于研究这种关系有点近似,需要确认一套大型的数值模拟(黄等人做准备),但预测的趋势是明确的和匹配与数值早些时候的工作。因此在这两个例子中,基本参数占大多数的分散在光环属性似乎年龄,广义的封装质量吸积的历史。

质量吸积历史原则上可以包含任意数量的独立的自由度。基于数值符合章节中讨论3,真正的例子似乎形成一个更有限只有一个(或者两个)主要的自由程度(s)。同样,虽然子结构质量函数的形状可以在原则上有许多自由度,它似乎遵循一个单个参数序列在实践中,当然标量属性像维分布浓度一定形式。所有这表明可能存在一个“最佳”的光环的年龄,“最好”,它捕获的大部分品种光环属性。这个参数的确切身份,其物理解释,最好的观测估计仍有待确定。

假设单个参数序列的光环“年龄”或松弛度存在,为什么要测量它吗?了解晕实现他们的特定的内部状态本身是有趣的,当然,但光环的结构和动力学信息也有几个直接的实际应用。作为讨论的部分2光环的职业(HOD)模型预测或解释星系集群匹配星系晕,这方法也很有用在生产“模拟”目录的星系从dark-matter-only模拟。这些模型通常认为质量是最重要的光环属性匹配,尽管证据表明光环的年龄与大规模集群和环境(109年- - - - - -115年]。更好的定义和度量的年龄,一起模拟星系形成的光环与不同的形成历史,将澄清之间的连接主机光环的年龄和它的居民星系的属性。

第二个实际应用是测试标准结构形成和断裂参数简并。一个简单的例子是星团的年龄分布。集群形成早期通过放大的峰值密度场的生长因子。衡量集群的丰度约束的产品功率谱和生长因子,导致之间的简并度和(为货币政策委员会,公里))或更一般的宇宙论,后期数据增长之间和初始力量。以固定集群丰富,有一个较低的物理宇宙论的区别和高和那些高和低然而,;前者集群形式之前,应该更加放松,圆润,更加集中和子结构。图7显示了子结构分数分布反映了集群年龄的差异有两个非常相似的宇宙论位于的简并度飞机。分布是微妙的转变(部分是因为子结构projection-see节被测量4),但应可测的样本集群,提供可以在模拟仔细校准的影响。

(一)

(b)

图7

分布的透镜底座部分(一)和(b)。1000年的固体直方图合并树在宇宙学。冲直方图是对1000年合并树在宇宙学。这两个宇宙论是选择产生相同的丰富的大规模集群在低红移,所以单独集群数量计数不会区分他们。

从长远来看,一个更根本的目标非线性结构的研究是理解暗物质本身。非线性结构或光环属性更具体是连接到基础物理的暗物质在几个方面。本文中我认为暗物质是一种单粒子的“普通”,这是冷,无碰撞的,稳定的宇宙时间尺度和所有长度尺度上我们可以调查。事实上看到是前面的更大范围的可能性(9全面审查)。在小尺度上的行为真正的候选人可能很不同或密度较高时,它们的属性可以在宇宙时间不同,或者他们可以开始与一个截然不同的初始分布在早期的宇宙中是常见的。暗物质晕的详细研究将有助于限制所有三种可能性。

有很多的粒子属性只会成为明显的密度较高时或者在小空间尺度上。超对称暗物质粒子如中性伴子自己的反粒子,可以彼此湮灭,产生伽马射线和其他次级粒子的能量GeV-TeV范围。这个发射强烈加权最密集的光环的一部分,因此敏感取决于子结构的数量在一个光环(见,例如,116年最近的一个评论)。原则上,暗物质粒子也可能有重要的碰撞截面与自己和/或普通物质,或他们的耦合重力甚至可能是不同的。所有这些可能性都已经很强烈地受到当前观测,然而。通过费米伽马射线望远镜观测到暗物质的湮灭截面约束(117年),观察的子弹状星系团约束弹性散射截面(One hundred.]和观察破坏的射手座矮星系限制修改引力耦合(118年]。作为我们的测量晕结构改进,探索密度子结构和较小的质量尺度,这些限制将变得更强。暗物质的时间演化特性限制略少,但由于大多数暗物质晕的密集的子结构的证据来自低红移,这表明暗物质粒子在宇宙的年龄一直保持稳定。更好的观测约束的整体分布密集的光环子结构和光环年龄可以大大加强这一观点。

结构形成的初始条件是一个更加开放的问题。修改暗物质耦合,或者宇宙的状态方程的变化在早期的时候,可能会让他们的印记的波动功率谱晕形成。热暗物质,强烈湮灭或迅速腐烂的暗物质,暗物质碰撞,和其他形式的普通模型产生一个截断功率谱和最小规模结构的形成。这将消除晕子结构低于规模,并产生圆略大尺度更放松晕。有很多这种呼吁修改物理解释之间的明显差异分布的黑暗和发光物质在星系核心(综述(119年])或在银河系的光环(综述(68年])。这些参数有问题,重子的示踪剂本身将消失在小尺度上,由于强烈的负面反馈效应形成恒星和星系形成这些鳞片。当我们无法观察稠密,小型宇宙中暗结构,目前尚不清楚这是告诉我们一些关于暗物质的行为在这些鳞片,或一些关于重子的行为。当前和未来的透镜实验将会解决这个问题的关键,建立其结构或证伪完全黑暗的存在结构。这反过来应该导致强烈的约束在温暖或暗物质碰撞,或类似的模型。

一代数值实验和分析工作取得了显著的进展在理解非线性结构形成和“深深”非线性暗物质晕的内部属性。虽然这个领域缺乏分析的简单线性理论和似乎并不适合精确宇宙学结果,从模拟一些简单的模式出现了。暗物质晕属性关联形成强烈的历史,甚至可能形成单个参数序列的“年龄”,提供这个参数可以定义清楚。与强大的光环结构和子结构新的观测措施成为可用的,小规模的非线性结构的形成可能是下一个伟大的源测试的宇宙学,暗物质,基础物理学。

确认

这项工作是支持发现格兰特从加拿大自然科学和工程研究委员会。作者的感谢黄安森提供数据用于制造图5。本文也乐于承认许多有用的对话关于暗物质模型,暗物质天体物理限制,和暗物质的前景识别、参与者的凯克空间研究所研讨会“暗物质的本质揭示”,这是由w . m .凯克的基础。最后,我感谢p . Salucci澄清暗物质的原始证据旋转曲线。

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