利用高红移莱曼α森林限制温暗物质模型的数值模拟研究

Cosmological numerical simulation results based on ΛCDM model face persistent challenges from galaxies observations at small scales. Warm dark matter(WDM) has been proposed as a potential solution to alleviate the small scale tension, the validity of which has been questioned since its born. High redshift Lyman-alpha forest data, from observation and cosmological simulation, is one of the key probe to constrain WDM. The systematic effects in the numerical methods, and the uncertainty on the UV background and the thermal history of intergalactic medium lead to non-negligible errors in the present constraints on WDM giving by Lyman-alpha forest. This project will investigate the system errors caused by numerical factors such as the solver of gas dynamics and the resolution, and the correlation between UV background，the thermal history of intergalactic medium and Lyman-alpha forest. We will use high order hydrodynamical solvers and improve the resolution to reduce their system errors on the Lyman-alpha flux power spectrum. In addition, the system effects of the uncertainty on the UV background will be addressed, in order to significantly improve the reliability and accuracy of the constraints on WDM models by Lyman-alpha forest. Then, high resolution cosmological hydrodynamical simulations will be used to put tight constrain on the mass of WDM particles, including thermal relics and keV sterile neutrino, and exam their validity to solve the small scale tension.

ΛCDM模型的宇宙学数值模拟结果，与真实星系观测在小尺度上存在冲突。温暗物质模型被认为是缓解该冲突的一类潜在机制，但其有效性一直受到争议。高红移莱曼α森林的真实观测与模拟数据对比研究，是检验与限制温暗物质模型的主要手段之一。数值方法的系统效应，宇宙再电离UV辐射背景与星系际介质热历史不确定性的影响，使现有研究中对温暗物质的限制结果存在不可忽视的系统误差。本项目将研究流体求解方法、分辨率等数值因素对高红移莱曼α森林模拟数据的系统效应，UV辐射背景与高红移星系际介质热历史、莱曼α森林的关联；将采用高精度流体格式，提高模拟分辨率，显著降低数值因素与UV辐射背景不确定性等系统影响，有效提升利用高红移莱曼α森林限制温暗物质模型的可靠性与准确度。基于高分辨率宇宙学N体＋流体数值模拟，对热遗迹、keV惰性中微子等温暗物质模型的粒子质量等关键物理参数做出精确限制，检验其缓解小尺度冲突的有效性。

基于多组LCDM宇宙学流体模拟，对重子物质分布、密度、温度等随红移演化的历史进行了细致分析。构建了从模拟样本中重子物质分布，得到Lyman-α模拟谱线、功率谱计算等分析流程。考察了不同流体和引力求解格式，分辨率，不同再电离与紫外辐射背景模型对Lyman-α森林的影响。发现模拟分辨率达到10kpc, 不同模拟方法所得的功率谱差异在10%以下；同时模拟区域需要在(20Mpc)^3以上，才能较有效的降低宇宙方差;而不同宇宙紫外辐射背景模型对高红移的Lyman-α森林的影响强于不同模拟方法。..对红移30-5之间的重子气体热历史进行了较深入研究。使用三种不同宇宙学模拟方法，研究绝热，与包含冷却加热、宇宙紫外背景等不同物理模型下，宇宙重子在高红移的温度密度演化，即热历史。发现由于在高红移时气体的马赫数很高，给精确模拟其温度演化带来很大挑战。..基于不同分辨率的数组宇宙学N体/流体数值模拟样本，研究了宇宙网络(cosmic web)结构中重子物质分布及其速度场特征，随红移的演化。在此基础上研究了宇宙不同结构中重子物质对快速射电暴造成的色散（dispersion）和散射(scattering)效应影响。我们的研究表明，星系际介质是造成FRB河外色散的主导成分，而宿主星系和前景星系中的介质是FRB河外散射的主要贡献来源。