مقاله چالش‌های عددی برای حفظ انرژی در شبیه‌سازی‌های N-جسم هاله‌های ماده تاریک در حال فروپاشی خود تعاملی

چکیده

Dark matter (DM) haloes can be subject to gravothermal collapse if DM is not collisionless but has strong self-interactions. When the scattering can efficiently transfer heat from the centre to the outskirts, the central region of the halo collapses and reaches densities much higher than those for collisionless DM. This phenomenon is potentially observable in studies of strong lensing. Current theoretical efforts are motivated by observations of surprisingly dense substructures. A comparison with them requires accurate predictions. One method to obtain such predictions is to use N-body simulations. The collapsed haloes are extreme systems that pose severe challenges to state-of-the-art codes used to model self-interacting dark matter (SIDM). We investigate the root of such problems with a focus on energy non-conservation. We run N-body simulations with and without DM self-interactions of an isolated DM-only halo and change numerical parameters relevant to the accuracy of the simulation. We find that not only the numerical scheme for the DM self-interactions can lead to energy non-conservation but also the modelling of gravitational interaction and the time integration are problematic. The issues we found are: (a) particles changing their time step in a non-time-reversible manner; (b) the asymmetry in the tree-based gravitational force evaluation; (c) SIDM velocity kicks break the symplectic nature and time symmetry. Tuning the parameters of the simulation to achieve a high accuracy allows for conserving energy not only at early stages of the evolution but also at late ones. However, the cost of the simulations becomes prohibitively large. Some problems making the simulations of the gravothermal collapse phase inaccurate, can be overcome by choosing appropriate numerical schemes. However, others remain challenging. Our findings motivate further work on addressing these challenges.

چکیده به فارسی (ترجمه ماشینی)

در صورت عدم برخورد DM بدون برخورد اما دارای عملکردهای قوی ، هاله های ماده تاریک (DM) می تواند در معرض فروپاشی گرانش باشد.هنگامی که پراکندگی می تواند به طور موثر گرما را از مرکز به حومه منتقل کند ، منطقه مرکزی هاله فرو می ریزد و به تراکم بسیار بالاتر از آن برای DM بدون برخورد می رسد.این پدیده به طور بالقوه در مطالعات مربوط به لنز قوی قابل مشاهده است.تلاشهای نظری فعلی با مشاهدات زیر ساختهای متراکم متراکم ایجاد می شود.مقایسه با آنها نیاز به پیش بینی های دقیق دارد.یک روش برای به دست آوردن چنین پیش بینی ها استفاده از شبیه سازی های N-Body است.هاله های فروپاشی سیستم های افراطی هستند که چالش های شدیدی را برای کدهای پیشرفته مورد استفاده برای مدل سازی ماده تاریک خودکشی (SIDM) به وجود می آورند.ما ریشه چنین مشکلاتی را با تمرکز بر صرف حفاظت از انرژی بررسی می کنیم.ما شبیه سازی های N-Body را با و بدون خودکشی DM از یک هاله DM جدا شده اجرا می کنیم و پارامترهای عددی مربوط به صحت شبیه سازی را تغییر می دهیم.ما می دانیم که نه تنها طرح عددی برای خود تحرکات DM می تواند منجر به عدم حفاظت از انرژی شود بلکه مدل سازی تعامل گرانشی و ادغام زمان مشکل ساز است.موضوعاتی که ما پیدا کردیم عبارتند از: (الف) ذرات تغییر مرحله زمان خود را به صورت غیر زمانی برگشت پذیر.(ب) عدم تقارن در ارزیابی نیروی گرانشی مبتنی بر درخت.(ج) لگد های سرعت SIDM طبیعت و تقارن زمان را می شکند.تنظیم پارامترهای شبیه سازی برای دستیابی به دقت بالا ، صرفه جویی در مصرف انرژی نه تنها در مراحل اولیه تکامل بلکه در اواخر را نیز فراهم می کند.با این حال ، هزینه شبیه سازی ها بسیار زیاد می شود.برخی از مشکلات ایجاد شبیه سازی مرحله فروپاشی گرانترمال نادرست ، با انتخاب طرح های عددی مناسب می توان برطرف شد.با این حال ، دیگران چالش برانگیز هستند.یافته های ما انگیزه بیشتری برای پرداختن به این چالش ها دارد.