[論文レビュー] Chaotic enhancement of dark matter density in binary systems and galaxies

Guillaume Rollin, José Lages+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、シンプレクティック統合を用いて、銀河の暗黒物質粒子（DMP）の捕獲および濃縮をモデル化するため、2体および少数体系におけるカオス的ダイナミクスを調査している。最大10^16個のDMPを10^9回転周期にわたりシミュレーションすることで、質量比や銀河的DMP風に対する速度対比に応じて、系の中心部で最大数万倍の密度増幅が生じることが示された。

ABSTRACT

We study the capture of galactic dark matter particles (DMP) in two-body and few-body systems with a symplectic map description. This approach allows modeling the scattering of $10^{16}$ DMPs after following the time evolution of the captured particle on about $10^9$ orbital periods of the binary system. We obtain the DMP density distribution inside such systems and determine the enhancement factor of their density in a center vicinity compared to its galactic value as a function of the mass ratio of the bodies and the ratio of the body velocity to the velocity of the galactic DMP wind. We find that the enhancement factor can be on the order of tens of thousands.

研究の動機と目的

• 2体および少数体系における重力的相互作用が、銀河的暗黒物質粒子（DMP）をどのように捕獲・濃縮するかを理解すること。
• このような系の中心部におけるDMPの密度増幅を、周囲の銀河的密度と比較して定量すること。
• 特に質量比および銀河的DMP風に対する相対速度といった、系のパラメータに依存する増幅の依存関係を調査すること。
• 高精度なシンプレクティック統合を用いて、10^9回転周期にわたる長期的なDMPダイナミクスをモデル化すること。

提案手法

• 2体および少数体系における最大10^16個の暗黒物質粒子の軌道を数値的に統合するために、シンプレクティック写像を採用した。
• 2重星系の回転周期約10^9回にわたって、捕獲されたDMPの時間発展をシミュレーションした。
• 長時間スケールの統合においてエネルギーおよび運動量の保存を維持するために、シンプレクティック手法を用いた。
• 特に中心部における捕獲DMPの空間的密度分布を計算した。
• 局所的なDMP密度を周囲の銀河的密度と比較し、増幅要因を算出した。
• 質量比および系の速度と銀河的DMP風の速度比を変化させることで、パラメータ依存性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カオス的捕獲によって、2重星系の中心部における暗黒物質密度が最大どれほど増幅されるか？
• RQ2 2つの天体の質量比は、捕獲された暗黒物質粒子の密度増幅にどのように影響するか？
• RQ3 系の相対速度が銀河的暗黒物質風に対してどのように変化するかが、DMPの捕獲および濃縮に与える影響は？
• RQ4 カオス的軌道的ダイナミクスは、星系内での長期的暗黒物質蓄積にどの程度寄与するか？

主な発見

• 2重星系の中心部における暗黒物質粒子の密度増幅要因は、周囲の銀河的密度と比較して最大数万倍に達する可能性がある。
• 増幅は、2つの天体の質量比およびそれらの速度と銀河的DMP風の速度比に強く依存する。
• カオス的ダイナミクスは、長期間にわたりDMPが系の中心部に捕獲され、濃縮される確率を顕著に高める。
• シンプレクティック統合手法により、10^9回転周期にわたって10^16個のDMPの進化を的確にモデル化でき、密度分布の統計的分析が可能になった。
• 結果から、2体および少数体系は重力的焦点化およびカオス的散乱を通じて、効率的な自然的暗黒物質濃縮器として機能しうることが示唆された。