[論文レビュー] Dark matter transport properties and rapidly rotating neutron stars

C. J. Horowitz|arXiv (Cornell University)|May 16, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、中性子星内の弱い相互作用を示す巨大粒子（WIMPs）が、長い平均自由行程により剪断粘性を著しく増大させることを提案している。これは、rモードの振動を安定化させ、現在のモデルが予測するよりも速く回転する中性子星（例：ミリ秒パulsar）が存在可能である可能性を示唆する。この安定化には、現在の実験的限界に近いWIMP-核子断面積と、星の中心部または表面層に十分なWIMP密度が要求される。

ABSTRACT

Neutron stars are attractive places to look for dark matter because their high densities allow repeated interactions. Weakly interacting massive particles (WIMPs) may scatter efficiently in the core or in the crust of a neutron star. In this paper we focus on WIMP contributions to transport properties, such as shear viscosity or thermal conductivity, because these can be greatly enhanced by long mean free paths. We speculate that WIMPs increase the shear viscosity of neutron star matter and help stabilize r-mode oscillations. These are collective oscillations where the restoring force is the Coriolis force. At present r-modes are thought to be unstable in many observed rapidly rotating stars. If WIMPs stabilize the r-modes, this would allow neutron stars to spin rapidly. This likely requires WIMP-nucleon cross sections near present experimental limits and an appropriate density of WIMPs in neutron stars.

研究の動機と目的

• WIMPsが中性子星内に存在する場合、剪断粘性や熱伝導度といった輸送特性に顕著な影響を与えるかどうかを調査すること。
• WIMPsに起因する剪断粘性の増大が、高速回転する中性子星におけるrモード振動を安定化させ得るかどうかを特定すること。
• 中性子星の力学的挙動に顕著な影響を与えるために必要なWIMP-核子断面積および密度を評価すること。
• 特に磁化された中性子星において、WIMP輸送が表面冷却および熱的進化に与える影響を検討すること。
• 観測可能な中性子星の回転速度と、間接的天体物理学的シグナルを通じた暗黒物質性質への制約を結びつけること。

提案手法

• WIMPの平均自由行程λWをσWnおよび核子密度nnを用いてモデル化し、関連する輸送効果に対してλW ≈ 10 kmと仮定する。
• 輸送の運動論的理論を用いて、WIMPが寄与する剪断粘性ηW ∝ λW²nWを導出し、長大なλWに起因する顕著な増大を示す。
• 中性子星内部の表面層におけるWIMP-原子核のコherent散乱を、有効断面積σ₀⟨A⟩を用いて評価し、形式因子F(q)および静的構造因子SA(q)を含む。
• 表面層におけるWIMPの捕獲および散乱確率を評価するため、光学的厚さτ ≈ Δr σ₀⟨A⟩⟨n⟩⟨A̅⟩を推定する。
• 周波数依存の粘性効果をrモード振動にモデル化するため、緩和時間近似を適用する。
• 磁化環境下で熱輸送が抑制される中、WIMPが表面層の熱伝導度に与える寄与について考察する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WIMPsが長い平均自由行程を有することで、中性子星内での剪断粘性が著しく増大するか？
• RQ2 WIMPに起因する剪断粘性が、高速回転する中性子星におけるrモード振動を安定化させ得るか？
• RQ3 顕著な粘性増大を達成するためのWIMP-核子断面積はどの程度で、現在の実験的限界と整合性があるか？
• RQ4 内部表面層におけるコherent WIMP-原子核散乱およびスクリーニング効果が、WIMP輸送および捕獲に与える影響は何か？
• RQ5 WIMPによる熱伝導度の寄与が、急速な表面層冷却や磁化された中性子星における表面温度非対称性に影響を与えるか？

主な発見

• 平均自由行程が約10 kmであるためには、WIMP-核子断面積σWn ≈ 3×10⁻⁴⁵ cm²が要求され、これはCDMSおよびXENON 100の現在の実験的限界に近い。
• WIMPsは長い平均自由行程に起因し、剪断粘性を数個のオーダー増大させ得る。これは、高速回転する中性子星におけるrモードの安定化を可能にする可能性がある。
• 内部表面層におけるコherent WIMP-原子核散乱は、有効断面積σ₀⟨A⟩を生じさせ、q* ≈ 0.3 fm⁻¹の運動量移動が含まれる場合⟨A⟩ ≈ A/2と評価できる。
• 光学的厚さτ ≈ Δr σ₀⟨A⟩⟨n⟩⟨A̅⟩の推定から、σ₀⟨A⟩が十分に大きく、密度が約0.05 fm⁻³であれば、WIMPsは内部表面層に捕獲される可能性がある。
• WIMPによる熱伝導度の寄与は、表面層冷却に影響を与え、磁化された中性子星における表面温度非対称性を低減させる可能性がある。
• 観測的証拠（例：銀河中心の716 Hzパulsar）は、古く、または暗黒物質密度の高い領域に位置する中性子星が、WIMPの粘性によってrモードを安定化させている可能性を支持する。