纯引力力相互作用多粒子系统的统计性质研究

发布时间：2020-07-09 18:52

【摘要】：本文针对当前宇宙学数值模拟中，在研究暗物质晕密度轮廓等已经进入非线性演化阶段的小尺度结构时，由于质量分辨率所带来的一个物理偏差进行分析。这里我们参照星系动力学中对球状星团的讨论，分析它对数值模拟中可能受到的此偏差带来的影响。 第一章首先介绍了宇宙学中暗物质被观测到存在的证据，及粒子物理中的暗物质粒子候选者。然后介绍了随着计算机技术的发展，数值模拟方法被日益广泛地在许多天体研究中得到的应用：大尺度宇宙学数值模拟中取得了很好的成果，而在小尺度方面则结果显示跟观测有一些不符(the“cusp problem”“substructure problem”)并引起人们的许多争论。这里我们简单介绍了当代数值模拟中所用的粒子数，软化因子以及有限时间步长等计算方法等等，并在最后提出了我们关心的问题：the AE bias的定义与及其是否会对宇宙学模拟带来影响。 第二章主要讨论在微尺度上AE bias给系统带来的影响。首先介绍了宇宙中可观测的另一类纯引力相互作用多粒子系统：维理化的恒星系统，如球状星团，椭圆星系与漩涡星系的核心区。然后介绍了直接讨论它们的宏观统计特性的现有理论模型。然后我们对比关于球状星团的动力学分析理论，从微尺度分析讨论了这类模拟系统与暗物质晕的一种重要区别：它们所受的two-body relaxation的影响： ·估算单粒子在系统中的平均自由程L_s与驰豫时标t_(relax)，发现AEbias能使两者都大为缩短，并且使t_(relax)小于宇宙学时标，从而使得two-body relaxation效应影响不可忽略。 ·估算了对单粒子的等效散射截面，发现这个AE bias引入的σ_(AE)已经稍小于SIDM模型所需并已不可忽略。 ·利用静态势场下E_i应为运动积分以及球对称势场下L_i应为运动积分，设计数值实验检验数值模拟中系统所受two-body relaxation效应的影响。结果显示，粒子的这两个参量都不再是运动积分，单粒子的轨道会很快对初始条件失去记忆。系统的这一点微尺度特性更象球状星团。 ·我们通过一个toy model的模拟结果，直接显示了这里的two-body
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：P172
【图文】：

述结果告诉我们的是所有物质的密度比例.而通过原初核合成模型，根据观测得到的几大重子元素的比例，可以确定出宇宙中的重子物质密度.从图1一2可以根据观测到的几种轻元素的丰度及比例来确定出宇宙中重子物质密度为:0.017<几B矿<0.025.而暴涨模型预言宇宙中几A+几。=1，由星系团动力学方法得到的结果也告诉我们总物质密度几二)0.2比较前面这些观测事实，我们就可以得知宇宙中不参与电磁相互作用的暗物质粒子占了很大比例.61.1.3暗物质粒子的候选者尽管当前人们通过天文观测，己经有许许多多的证据通过动力学证明暗物质的存在，但是人们在粒子物理中对于这些暗物质的性质却几乎一无所知.这是因为这些不参与电磁相互作用的粒子很难通过实验进行检验.在粒子物理中人们习惯把暗物质分成热暗物质和冷暗物质两类.其中热暗物质粒子质量较小，主要候选者是有质量中微子等.由于它们的粒子速度弥散大，不易形3

.宇宙中的暗物质与现代宇宙学研究中的N一BODY数值模拟方法图1一2:由原初核合成理论，可以预言宇宙中4He，D，3He和7L、等元素(相对于氢元素)随重子物质总密度的函数.并可以通过观测它们的比例来确定重子密度.S(ubriSarkar2002)!85}限制其取值范围，人们可以定出宇宙中的物质密度比例.(见后面图所示).上述结果告诉我们的是所有物质的密度比例.而通过原初核合成模型，根据观测得到的几大重子元素的比例，可以确定出宇宙中的重子物质密度.从图1一2可以根据观测到的几种轻元素的丰度及比例来确定出宇宙中重子物质密度为:0.017<几B矿<0.025.而暴涨模型预言宇宙中几A+几。=1，由星系团动力学方法得到的结果也告诉我们总物质密度几二)0.2比较前面这些观测事实

速度坐标来刻画一个星系的整体运动。而对于宇宙中大尺度结构的形成和演化，基于ACDM宇宙学模型的研究则跟观测在许多方面符合一致。图1一6显示的就是通过观测，oI型超新星爆发，微波背景辐射的各向异性和星系成团特性来限制宇宙学参数取值范围的结果.虽然ACDM模型在大尺度上取得了巨大的成功，但是在星系，星系团等小尺度上，数值模拟的结果却有一些与跟观测不符之处:61.2.3‘】‘尺度上的”euspproblem，，由于星系动力学中理论分析的困难，从最初的冷暗物质模型hgih-reso一utionsirnulatio:，得以实现(e.g.Dubinski&Carlberg1991)

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本文编号：2747850