本文介绍了一项关于冷暗物质（Cold Dark Matter, CDM）晕在宇宙学N体模拟中的径向相空间结构的研究。该研究由Hiromu Sugiura、Takahiro Nishimichi、Yann Rasera和Atsushi Taruya等学者合作完成，并于2020年2月11日发表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》（MNRAS）期刊上。研究的主要目的是通过分析CDM晕内部的径向相空间结构，特别是多流（multi-stream）结构，来探讨CDM晕的形成和演化过程。

研究背景

在宇宙学中，冷暗物质（CDM）是构成宇宙大尺度结构的主要成分之一。CDM晕是宇宙中物质通过引力坍缩形成的自引力束缚结构，其内部结构复杂，包含多个流层（multi-stream flows）。这些流层是由于物质在晕形成过程中经历多次壳层交叉（shell crossing）而形成的。研究CDM晕的相空间结构有助于理解暗物质的动力学行为，并为区分标准CDM模型与其他非标准暗物质模型提供线索。

研究方法

研究使用了N体模拟来追踪暗物质粒子在CDM晕中的运动轨迹。通过扩展Diemer开发的SPARTA算法，研究者能够追踪粒子在晕中的多次远心点（apocenter）通过次数，从而揭示暗物质粒子的多流结构。具体步骤如下：

1. N体模拟：研究使用了一个包含512³个粒子的N体模拟，模拟体积为164.0625 h⁻¹ Mpc³，采用了近似爱因斯坦-德西特（Einstein-de Sitter）宇宙学模型。模拟从初始红移zi=40开始，使用二阶拉格朗日扰动理论（2LPT）生成初始条件，并通过RAMES代码计算暗物质粒子的动力学演化。

2. 晕的追踪：研究者在红移z=0时使用球状过密度（Spherical Overdensity, SO）算法识别晕，并通过追踪粒子轨迹来确定晕的中心位置。通过分析粒子的径向速度，研究者能够识别粒子的远心点通过次数，并将粒子按通过次数分类。

3. 自相似解的拟合：研究者将模拟结果与Fillmore & Goldreich（1984）提出的自相似解进行比较。自相似解描述了在爱因斯坦-德西特宇宙中，球对称密度扰动下的物质吸积过程。通过拟合自相似解，研究者能够提取晕的物理参数，如质量吸积率和最外层壳层（splashback radius）的大小。

主要结果

研究的主要结果包括：

1. 多流结构的揭示：通过追踪粒子的远心点通过次数，研究者成功揭示了CDM晕内部的多流结构。约30%的模拟晕能够较好地与自相似解拟合，表明这些晕的内部结构与自相似解预测的多流特征一致。

2. 自相似解的拟合参数：拟合自相似解得到的参数（如质量吸积率参数s和壳层半径与晕半径的比值c）能够有效描述晕的物理性质。研究发现，拟合参数s与晕的质量吸积率密切相关，而参数c则与晕的最外层壳层半径相关。

3. 晕的统计性质：通过对大量晕的统计分析，研究者发现质量较大的晕更符合自相似解的预测。此外，拟合参数s与晕的内部质量吸积率（γp≥pmin）之间存在较强的相关性，表明s参数能够反映晕早期质量吸积的历史。

结论与意义

该研究通过详细的相空间分析，揭示了CDM晕内部的多流结构，并与自相似解进行了定量比较。研究结果表明，自相似解能够较好地描述部分晕的内部结构，特别是质量较大的晕。拟合参数s和c为理解晕的质量吸积历史和内部结构提供了重要线索。此外，研究还表明，相空间分析是探测晕动力学性质的有力工具，能够揭示晕形成和演化过程中的关键特征。

研究亮点

1. 多流结构的首次详细分析：该研究首次对CDM晕内部的多流结构进行了详细分析，揭示了晕内部复杂的动力学行为。
2. 自相似解的广泛应用：研究扩展了自相似解的应用范围，证明了其在描述CDM晕内部结构中的有效性。
3. 统计分析的深入：通过对大量晕的统计分析，研究者揭示了晕的质量吸积率与内部结构之间的关联，为理解晕的形成和演化提供了新的视角。

未来展望

未来的研究可以进一步探讨在非爱因斯坦-德西特宇宙中CDM晕的相空间结构，特别是在标准ΛCDM宇宙学模型下的表现。此外，研究还可以扩展到子晕和卫星星系的相空间结构，探讨它们与暗物质多流结构的关系，为观测提供更多理论支持。