[論文レビュー] Comments on recent work on dark-matter capture in the Solar System

Joakim Edsjö, Annika H. G. Peter|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、太陽系における重力的三体相互作用に起因するダークマター密度の著しい増加に関する最近の主張に反論し、ダークマター粒子の重力的噴出を無視することで著しく過大評価が生じることを示している。詳細なバランスを適用し、捕獲と噴出の両方のプロセスを含めることで、著者らは太陽系に束縛された平衡状態におけるダークマター密度が、地元の銀河ヒーロー密度と比較してわずかに高いにとどまり、以前の主張とは異なり数個のオーダーも上昇しないことを示している。

ABSTRACT

Recently, several papers have appeared that examine the process of capturing dark-matter particles from the Galactic halo to orbits bound to the Solar System. The authors of these papers predict large enhancements to the local dark-matter density via gravitational three-body interactions with planets. However, these conclusions are wrong; these papers do not include the inverse process to capture, namely the ejection of dark-matter particles by three-body gravitational encounters. We emphasize previous work that shows that by including both capture and ejection of dark matter from the Solar System, the density of dark matter bound to the Solar System is small compared to the local Galactic dark-matter density.

研究の動機と目的

• 重力的三体相互作用に起因する太陽系におけるダークマター密度の著しい増加に関する最近の主張に反論すること。
• 最近の研究が束縛されたダークマター集団を著しく過大評価している原因として、噴出プロセスの重大な省略を強調すること。
• 捕獲と噴出の詳細なバランスが、太陽系における平衡状態におけるダークマター密度を地元の銀河ヒーロー密度と同等の水準に制限することを再確認すること。
• 捕獲と噴出の両方のプロセスを含む数値的および解析的モデルが、Xu & Siegel、Khriplovich & Shepelyansky、およびKhriplovichの報告した値よりも著しく低い束縛ダークマター密度を予測することを示すこと。

提案手法

• 捕獲と噴出の詳細なバランスを用いて、太陽系に束縛されたダークマターの平衡状態における位相空間密度が、ヘリオセントリックフレームからローカル静止フレームに速度を変換した場合、銀河ヒーロー分布と一致することを示す。
• Gould (1991) の解析的枠組みを用いて、ダークマター粒子、惑星、太陽間の重力的三体相互作用をモデル化する。
• Lundberg & Edsjö (2004) および Peter (2009) の数値的シミュレーションを用いて、ダークマター集団の平衡状態の挙動を検証する。
• 平衡状態に達するまでの時間スケールを分析し、位相空間の多くの領域において、平衡状態が太陽系の年齢より短いスケールで達成されることを示す。
• 噴出を含むモデルと含まないモデルを比較し、後者では束縛ダークマター密度が数個のオーダーも過大評価されることを示す。
• 弱い相互作用（例えば太陽の原子核との相互作用）が、粒子の寿命を延長する可能性があるメカニズムとしての役割を評価するが、その効果は束縛集団の密度を著しく上昇させるには不十分であると結論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕獲と噴出の両方のプロセスを含めた場合、太陽系に束縛されたダークマター粒子の真の平衡密度はどの程度か？
• RQ2 最近の研究が、逆過程としての噴出を考慮しないまま、著しいダークマター密度の増加を主張する理由は何か？
• RQ3 束縛ダークマター集団における平衡状態に達するまでの時間スケールは、太陽系の年齢と比べてどの程度か？
• RQ4 太陽または惑星物質との弱い相互作用が、捕獲されたダークマター粒子の寿命をどの程度延長し、その密度を増加させ得るか？
• RQ5 噴出を含むモデルと含まないモデルの間で、束縛ダークマター密度を予測する際に生じる定量的差はどの程度か？

主な発見

• 速度をヘリオセントリックフレームからローカル静止フレームに変換した場合、太陽系に束縛されたダークマター粒子の平衡状態における位相空間密度は、銀河ヒーロー分布とほぼ等しい。
• 噴出プロセスを含めることで、噴出を無視するモデルと比較して、予測される束縛ダークマター密度は数個のオーダーも低下する。
• 位相空間の大多数の領域において、平衡状態に達する時間スケールは、太陽系の年齢よりも短く、束縛集団は低水準に安定化する。
• 数値的シミュレーションにより、詳細なバランスが成立しており、束縛ダークマター密度が地元の銀河ヒーロー密度に対して著しく小さいことが確認された。
• 太陽内での弱い相互作用があっても、長寿命な束縛ダークマター粒子の集団は依然として小さく、全体の束縛密度に顕著な増加は見られない。
• 太陽系内の小天体（例：数Myrスケールのコメットやプラネタリズ）の短い寿命は、噴出がなければダークマター粒子が無限に蓄積できないという類似例を提供する。