Galactic Cosmology: Dark Matter and the Faint End of Galaxy Formation

银河宇宙学:暗物质和星系形成的微弱尽头

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2019-04172
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 4.44万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2022-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Our understanding of Cosmology rests on two fundamental puzzles-"dark matter" and "dark energy"- whose solution will redefine the way we understand Physics. The nature of dark matter, in particular, is key to extending the Standard Model of Particle Physics and to understanding the hierarchical nature of structure formation in the Universe. Studies of the Cosmic Microwave Background radiation and of galaxy clustering have led to a true paradigm, where dark matter takes the form of weakly-interacting elementary particles that emerge from the early Universe with negligible thermal velocities. This Lambda-Cold-Dark-Matter (LCDM) scenario has now matured into a full, falsifiable theory where detailed theoretical predictions may be directly confronted with observation and experiment. A cornerstone prediction of LCDM is that dark matter halos (non-linear structures where galaxies form) exist in vast numbers and span a very large range in mass. The mass function of LCDM halos, however, differs markedly from the galaxy mass function: galaxy masses and halo masses must thus be related by a strongly non-linear function that contains signatures of the astrophysical processes that govern galaxy formation. This relation has particularly intriguing consequences in the regime of faint (dwarf) galaxies. Since low-mass halos vastly outnumber dwarfs, reconciling LCDM with observation requires that luminous galaxies have only been able to form in a small fraction of low-mass halos. Most low-mass halos must thus be "dark", and dwarf galaxy formation must effectively be cut off below a characteristic halo mass of order ~109 solar masses. This "threshold" halo mass should leave clear observational imprints in the faintest dwarfs which, if properly elucidated, could serve to validate or falsify some of the basic tenets of the cold dark matter paradigm. One example are halos just below the threshold, which, although unable to form stars, should still retain part of their primordial gas content. Detecting this population of gas-filled, star-less "mini-halos" filled would be a major discovery and a resounding success for LCDM on small scales. The faintest dwarfs are best studied in the Local Group of Galaxies, since they can only be detected out to a few Mpc. Some dwarfs, in addition, may have melded into the Galaxy at early times, leaving clues to their origin in the kinematics, metallicities, and abundance patterns of Galactic stars. I propose an ambitious plan to turn the Milky Way (the "Galaxy") into a powerful cosmological probe, combining supercomputer simulations, data mining, and direct observational surveys to decipher the cosmological clues buried in the Galaxy and its immediate neighbours. The aim of this "Galactic Cosmology" is to learn how to use the faintest, and most puzzling, specimens of the galaxy population to pry open a unique astronomical window into one of the defining Physics challenges of our era-the nature of dark matter.
我们对宇宙学的理解取决于两个基本的难题 - “暗物质”和“暗能量” - 他们的解决方案将重新定义我们理解物理学的方式。尤其是暗物质的性质是扩展粒子物理的标准模型并理解宇宙结构形成的层次性质的关键。对宇宙微波背景辐射和星系聚类的研究导致了真正的范式,其中暗物质采取了以微弱的热速度从早期宇宙中出现的弱相互交互的基本颗粒的形式。这种lambda-cold-dark-matter(LCDM)的场景现已成熟成一个完整的,可伪造的理论,其中详细的理论预测可能直接面对观察和实验。 LCDM的基石预测是,存在大量的暗物质光晕(非线性结构),并占质量很大的范围。然而,LCDM光环的质量功能与星系质量函数明显不同:因此,银河质量和光晕质量必须通过强烈的非线性函数相关,该功能包含了控制星系形成的天体物理过程的签名。这种关系在微弱的(矮人)星系方面尤其引人入胜。由于低质量的光环大大超过了矮人,因此与观察结果调和,需要发光星系只能在一小部分的低质量晕圈中形成。因此,大多数低质量的光环必须是“黑暗”,并且必须有效地将矮星系形成在〜109太阳能量的特征光晕质量以下切除。这种“阈值”光环质量应在最微弱的矮人中留下明显的观察烙印,如果正确阐明,可以用来验证或伪造冷暗物质范式的一些基本原则。一个例子是阈值以下的光环,尽管无法形成恒星,但仍应保留其原始气体含量的一部分。检测到充满气体,无星的“迷你山谷”的人群将是一个重大的发现,并且在小尺度上,LCDM取得了巨大的成功。 最微弱的矮人最好在当地星系中研究,因为它们只能被检测到几个MPC。另外,一些矮人可能在早期融合到银河系中,从而使其起源于银河系恒星的运动学,金属性和丰富的模式。我提出了一个雄心勃勃的计划,将银河系(“星系”)变成强大的宇宙学探测器,结合了超级计算机模拟,数据挖掘和直接观察性调查,以破译埋在银河系及其直接邻国的宇宙学线索。这种“银河宇宙学”的目的是学习如何利用银河系种群中最微弱,最令人费解的标本来撬开一个独特的天文学窗口,成为我们时代的定义物理挑战之一 - 暗物质的本质。

项目成果

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