“鼓包”里的宇宙指纹：当暗物质子结构遇见功率谱增强

搁浅

“鼓包”里的宇宙指纹：当暗物质子结构遇见功率谱增强（DOI: 10.3847/1538-4357/ae073b）

2025 年 11 月，《天体物理学报》发表了一项“显微镜”式的宇宙学模拟研究。三位作者把银河系“搬”进计算机，给初条件里的物质功率谱 P(k) 人为地“打了一针激动剂”——在特定尺度上让功率瞬间升高到标准冷暗物质（CDM）的约 5 倍，再视情况截断小尺度功率。结果，暗物质子晕（subhalo）像被放大镜照过：质量函数出现可预测的“鼓包”，空间分布更向中心挤，浓度也系统性抬高。更重要的是，这些印记在卫星星系、恒星流与强透镜样本里即将触手可及——功率谱重建，不再只是大尺度结构的专利。

一、为什么跟“鼓包”较劲？
JWST 的高红移星系计数暗示：小尺度功率可能真比 ΛCDM 预期的高。多重暴胀、轴子暗物质、早期磁场等模型，都能在 P(k) 上留下一个高斯形“bump”。它像条形码，扫一眼就能读出早期宇宙发生了什么。但条形码需要先验校正：给定一条 P(k)，子结构究竟该长什么样？此前研究集中在“截断”情形（温暗物质、相互作用暗物质等），对“增强”情形语焉不详。本文的任务，就是补齐这块拼图。

二、实验设计：只改初条件，其余一切照旧

• 宿主：MW-est 套件里的 Halo004，质量～10¹² M⊙，曾吞下一个“LMC 双胞胎”并经历盖亚-香肠-恩塞拉多斯并合，与银河系履历高度相似。
• 变量：在 k₀ = 22.8、32.1、41.8 Mpc⁻¹（对应 3、4、5 keV 热温暗物质的“半模”尺度）处放置高斯鼓包，高 2 倍、宽 0.5 dex；部分模型再加小尺度截断。
• 对照：标准 CDM、纯截断（Cutoff）、纯鼓包（Bump）、鼓包＋截断（Bump+Cutoff）。
• 分辨率：最高 5×10⁴ M⊙ 粒子质量，80 pc 引力软化，z = 0 时 300 粒子（≈1.5×10⁷ M⊙）以上才计入统计。
• 工具：GADGET-2 演化 + ROCKSTAR 找晕 + CONSISTENT-TREES 并合树，全部公开上线（Zenodo doi:10.5281/zenodo.16915369）。
  

三、主要发现：子结构把 P(k) 的“脸”直接抄下来

• 子晕质量函数（SHMF）出现“映像”
  – Bump+Cutoff 模型里，鼓包对应的质量段比 CDM 多 2–3 倍；截断段则比 CDM 少。
  – 纯 Bump 模型里，增强幅度更大，且一直延伸到解析极限，没有“缺页”。
  – 鼓包位置挪 1 dex，SHMF 的拐点就挪 1 dex，几乎“像素级”对应。
• 改变主要发生在“落单”阶段，而非潮汐演化
  把 z = 0 的孤立晕（从未做过卫星）作为基准，发现 SHMF 的相对变化与孤立晕质量函数的变化几乎同步，差异 < 25%。换句话说，P(k) 先写好“剧本”，潮汐效应只是小修小补。
• 径向分布更向中心挤
  鼓包尺度对应的高质量卫星更多、动力学摩擦更强，导致平均半径缩小 10–30%。这对“太多大质量卫星”难题提供了一种非传统解释：也许不是宿主质量估错，而是 P(k) 里真有个鼓包。
• 浓度显著抬高
  用有效浓度 cₑff = R_vir / (R_max/2.126) 测量，Bump 模型里常见 cₑff ≈ 50，而 CDM 罕有超过 30。浓度增强与鼓包质量尺度一一对应，为强透镜“太密”子结构提供了另一条早期宇宙注脚。
  

四、半解析模型得改窗口函数
经典延伸 Press–Schechter（ePS）理论用“锐 k-空间窗”在截断模型里更准确，但在鼓包模型里可能翻车：窗函数与鼓包卷积后，会意外预测小尺度 SHMF 被“饿死”。模拟显示并无此现象，提示 ePS 需要更柔软的窗函数，或干脆直接仿真校准。

五、展望：即将到来的观测如何“扫码”？

• Vera C. Rubin  Observatory 的 LSST 将把卫星星系样本扩增到数百计；鼓包模型预言的 SHMF 增强会在亮度函数里留下 2–3 倍的“肩”。
• 恒星流、强透镜时间延迟、动力学“冷点”都对子晕浓度敏感，可与质量函数互补，打破“浓度–丰度”简并。
• 轴子、PBH、蓝谱等模型鼓包形状各异，本文的高保真模拟已提供模板库，下一步是建立快速前向建模框架，把观测直接反演成 P(k) 误差棒。
  

结语
一条看似枯燥的功率谱曲线，原来在子结构世界里放大成可触可摸的“地形图”。当暗物质子晕成为宇宙学的“显微镜”，每一次鼓包、凹陷都可能对应早期宇宙的一扇新窗口。随着 JWST、LSST、Euclid 的数据洪流袭来，我们正站在“小尺度宇宙学”爆发的门槛——把子结构当作条形码，扫码即可下载宇宙初年的源代码。