一种在 AREPO 中实现自相互作用暗物质的新颖方法

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：A Novel Implementation of Self-Interacting Dark Matter in arepo

　　

摘要

自相互作用暗物质（SIDM）通过碰撞性热输运影响晕结构，并为星系形成中一系列小尺度难题提供了潜在的解决方案。SIDM在低质量晕中形成热化核，这可能解释了观测到的核状矮星系。与此同时，在晚期引力热致核心坍缩过程中，SIDM可以产生致密的低质量暗物质晕和子结构，这些结构已通过冷恒星流中的微扰和强引力透镜效应被探测到。在本工作中，我们在移动网格代码arepo-2中实现了一种新的蒙特卡洛SIDM方法，该方法在效率、可扩展性和可扩展兼容性方面经过精心设计。该实现的核心特征是一个专用的仅暗物质邻居搜索树，它将散射求解器与引力解耦。这在保持与arepo-2所采用的层级时间积分兼容性的同时，使优化后的引力求解器不受约束。MPI任务之间的成对通信方案使得可以在单个时间步内追踪多个散射事件，同时守恒动量和能量，并通过构造保证并行一致性。此外，成对时间步准则显著减少了不必要的时间步限制。该实现原生支持速度依赖型截面和非弹性相互作用，同时设计了紧凑接口，使额外SIDM物理的实现无需了解并行化层。我们通过一组理想化和宇宙学测试，针对各向同性弹性散射验证了该实现。我们在孤立核心坍缩模拟和宇宙学方箱（仅暗物质和含重子情形）中评估了性能和可扩展性。除引力热坍缩晚期阶段外，SIDM模拟相较于相应的CDM运行仅产生适度的计算开销，且显著快于arepo-1中的先前SIDM实现。