本地暗物质密度与速度分布研究
批准号:
12103031
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
郭锐
依托单位:
学科分类:
银河系的形成、结构和演化
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
郭锐
中文摘要
暗物质粒子探测实验是粒子物理与天文学的前沿领域。在暗物质粒子直接探测实验中,本地暗物质密度和速度分布是重要的输入参数,从天文学上获取独立的测量有助于减少实验中的参数简并性。最新研究发现银河系可能并非处于平衡态,这对以前的平衡态下动力学研究,包括本地暗物质密度测量,提出了新的挑战。.本课题中,我们将首先聚焦于理解银盘南北不对称的起源,同时在动力学模型中引入非平衡态的成份,以获得更为准确的暗物质密度测量。我们将在相空间把示踪星族分解为平滑背景和螺旋波纹结构,以重构出观测上非对称的南北速度弥散轮廓。另一方面,我们会挑选具有更大空间范围的巨星样本,用Jeans方程从恒星运动学中推导物质密度分布,以获得更加精确和相对独立的暗物质密度测量。此外,我们拟从恒星金属丰度和速度分布中,提取能够示踪暗物质速度分布的恒星成份,以推导本地暗物质速度分布,为暗物质探测实验提供天文学输入参数。
英文摘要
Dark matter particle detection experiment is the frontier of particle physics and astronomy. In direct detection experiments, the local dark matter density and velocity distribution are important input parameters. Independent measurements of the two parameters via astrophysical methods are helpful to decrease the parameter degeneracy in dark matter experiments. The latest studies show that our Milky Way is not in equilibrium, posing a challenge to the previous studies on the dynamical studies under equilibrium state, including the measurements of the local dark matter density..In this proposal, we will first focus on solving the problem of the North-South asymmetry with respect to the Galactic disc. At the same time, we will try to introduce the non-equilibrium component into the dynamical model, in order to obtain more accurate dark matter density measurement. We will decompose the tracer population into a smooth background and a phase space spiral in the phase space, for recovering the asymmetric northern and southern velocity dispersion profiles in observations. On the other hand, we will select a sample of giant stars, which has a larger vertical range. We will apply the vertical Jeans equation to derive the mass distribution from stellar kinematics. This could provide more accurate and relatively independent measurement of the dark matter density. Besides, from the stellar distribution in the metallicity and velocity plane, we will extract the stellar components which can trace the velocity distribution of dark matter. This can help to derive the velocity distribution of dark matter particles in the Solar neighborhood, and provide astronomical input parameters for the dark matter detection experiments.
本地(太阳邻域)暗物质密度及其速度分布是暗物质粒子直接探测实验的重要输入参数,对实验材料体量选取、实验结果的解释至关重要。另外,本地暗物质密度是银河系质量分布的重要参数,对研究银河系暗物质密度轮廓有重要作用,进而限制暗物质和星系形成演化的模型。依托此项目,我们从事了有关本地暗物质密度与速度分布的研究,开发了一系列基于非平衡态成分的本地暗物质密度测量方法,发表四篇SCI论文,三篇一作,一篇通讯。具体工作概括如下: 1.用相空间螺旋结构定量地解释了银盘南北的诸多非对称性,表明了南北非对称性和螺旋结构存在紧密关联;并在平滑背景的建模中获得了本地暗物质密度的测量,相对前人的平衡态动力学,我们引入了螺旋结构这一非平衡态成分的考量。(Guo et al. 2022) 2.利用相空间螺旋结构的特殊点和插值法获得了银河系垂直引力势的直接测量,这一创新方法不依赖于模型,不用假设物质分布形式。在后续建模中,我们获得了本地暗物质密度的又一独立测量。(Guo et al. 2024) 3.分析了银河系早期并合遗迹对本地暗物质速度分布子结构的贡献,并修正了标准暗晕模型,对暗物质粒子直接探测试验的结果解释提出了修正,为此类实验提供了一定的指导。关于本地暗物质速度分布的研究,在前人工作中鲜少有人提及,我们的工作推动了这一方向的发展。(Zhu, Guo, et al. 2024) 4.进一步分析了银盘南北非对称性和相空间螺旋结构的关联,对理解和解释金属丰度的非对称性提供了帮助,提出非对称性随半径的变化与银河系引力势的径向变化存在关联。这一工作对利用金属丰度进一步研究螺旋结构提供了指导和帮助。(Lin, Guo, et al. 2024)
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