[論文レビュー] Bosonic Dark Matter in Light of the NICER Precise Mass-Radius Measurements

Soroush Shakeri, Davood Rafiei Karkevandi|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、NICERの高精度な質量半径測定を用いて、中性子星（NS）内の自己相互作用ボソン的ダークマター（DM）を調査する。DMハローは観測と整合的である一方、DMコアは半径と質量を観測限界以下に押し下げる。最大質量制約はDM割合を強く制限し、λ=πのときmχ ≳ 200 MeVでは<4%に制限される。また、DM含量を調べるための新しい観測指標としてパルスプロファイルを導入する。

ABSTRACT

We explore the presence of self-interacting bosonic dark matter (DM) within neutron stars (NSs) in light of the latest multi-messenger observations of the Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) and LIGO/Virgo detectors. The bosonic DM is distributed as a core inside the NS or as a halo around it leading to formation of a DM admixed NS. We focus on the variation of the visible and dark radius of the mixed object due to DM model parameters and fractions. It is shown that DM core formation reduces the visible radius and the total mass pushing them below observational limits while halo formation is in favor of the latest mass-radius observations. Moreover, we scan over the parameter space of the bosonic DM model considering two nuclear matter equation of states by applying the radius, maximum mass and tidal deformability constraints. Our investigation allows for the exclusion of a range of DM fractions, self-coupling constant and sub-GeV boson masses, which limits the amount of accumulated DM to relatively low values to be consistent with astrophysical bounds. In this paper, we introduce main features of the pulse profile corresponding to the DM admixed NS as a novel observable quantity. We find that the depth of minimum fluxes in the pulse profiles crucially depends on the amount of DM around NS and its compactness. The current/future astrophysics missions may test the possibility of the existence of DM within NSs and break the degeneracies between different scenarios via multiple observations.

研究の動機と目的

• 最近のNICERによる中性子星の質量半径測定と自己相互作用ボソン的ダークマターの整合性を評価すること。
• ダークマターが中性子星内にコアを形成するかハローを形成するかを特定し、質量や半径などの観測可能な性質に与える影響を明らかにすること。
• 質量、半径、潮汐歪度の複数メッセンジャー限界を統合して、ボソン的DMモデルのパrameter空間を制約すること。
• DM混合中性子星のパルスプロファイルを新たに導入し、DM状態を区別する観測的シグネチャーとして分析すること。

提案手法

• 相対論的平均場アプローチとスカラー自己相互作用ポテンシャルを用いて、自己相互作用ボソン的ダークマターを含む中性子星をモデル化する。
• DM混合中性子星の質量半径関係を、DM割合と結合定数を変化させて数値的にTolman-Oppenheimer-Volkoff方程式を解く。
• NICER（PSR J0740+6620およびPSR J0030+0451）、LIGO/Virgo/KAGRA（潮汐歪度）、最大質量限界2.17 M☉の観測的制約を適用する。
• DM混合中性子星のパルスプロファイルをシミュレートし、DM含量と星のコンパクトネスがフラックス変調深さに与える影響を特定する。
• DMパrameter（質量mχ、自己結合定数λ、割合）をスキャンして、複数メッセンジャーデータと整合する領域を同定する。
• ベイズ的分析の原則を用いて、異なるバリオン物質状態方程式におけるモデルの感度とロバストネスを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己相互作用ボソン的ダークマターは、NICERの高精度な質量半径測定と整合する安定な構成を中性子星内に形成できるか？
• RQ2 中性子星の周囲にダークマターのコアが形成されるかハローが形成されるかが、質量と半径に関する現在の観測制約とよりよく一致するのはどちらか？
• RQ3 最大質量と半径の限界が、中性子星内のボソン的ダークマターの割合と性質をどのように同時に制約するか？
• RQ4 中性子星のパルスプロファイルが、周囲のダークマターを検出・特徴付けるための診断的ツールとしてどの程度有効に使えるか？
• RQ5 GW190814の第二天体のような奇妙なコンパクト天体におけるダークマターの存在に、これらの制約がどのような意味を持つのか？

主な発見

• DMコア形成は、中性子星の可視的半径と全質量を、NICERや他の複数メッセンジャーデータの観測限界以下に押し下げる。
• これに対して、DMハロー形成は、最新のNICER質量半径観測（特にPSR J0740+6620およびPSR J0030+0451）と整合的である。
• 最大質量限界は半径限界よりもより厳しい制約を提供し、GeV未満のボソンに対しては大きなDM割合を除外する。
• ボソン質量mχ ≳ 200 MeVで強い結合（λ = π）のとき、蓄積されたダークマター割合は4%未満に制限される。
• 軽量ボソン（mχ ≤ 105 MeV）は、任意のDM割合において最大質量と半径の両制約と整合的であるが、潮汐歪度を含めるとより厳しい制約が得られる。
• パルスプロファイルにおける最小フラックスの深さは、ダークマターの量と星のコンパクトネスに強く依存し、中性子星内のDM検出の新しい観測指標として有望である。