[論文レビュー] Optical Lensing by Axion Stars: Observational Prospects with Radio Astrometry

Anirudh Prabhu|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 78被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、axion-photons結合に起因する、電波波の特徴的な光路歪み効果を介して、axion星（axionsの高密度で準安定な構造）を観測する新規な観測手法を提案する。高精度な電波アストロメトリーを用い、Square Kilometer Array (SKA) により、質量範囲 $[10^{-14}, 10^{-11}]M_\bigodot$ のオーロン（oscillons）が背景電波源の位置に周波数依存のずれを引き起こすことが示され、現在までに制約のない質量領域におけるこのようなコンパクトなダークマター物体の最初の潜在的検出可能性が示された。

ABSTRACT

Axions and axion-like particles (ALPs) are some of the best-motivated dark matter (DM) candidates. Under certain circumstances, large axion fluctuations in the early universe can collapse to form dense configurations called axion clumps. The densest axion clumps are metastable states known as oscillons. In this paper we propose a new class of observables that exploit the axion's coupling to photons. As a result of this coupling an axion clump acts like an inhomogeneous refractive optical medium -- a lens -- that causes anomalous dispersion of incident electromagnetic waves. The dispersion of electromagnetic waves by axion clumps clearly distinguishes this lensing effect from gravitational lensing. Axion clumps passing in front of background radio sources act as lenses and lead to apparent positional shifts that can potentially be discovered by high-precision radio astrometry missions with the forthcoming Square Kilometer Array (SKA). We discuss the sensitivity of SKA to lensing effects in a variety of axion halo models. While gravitational microlensing surveys have placed strong constraints on the amount of DM that exists in the form of non-luminous astrophysical objects they have been unable to do so for objects in the mass range $[10^{-14}, 10^{-11}] M_\odot$. We find that, over a wide range of parameter space, SKA will be sensitive to optical lensing by oscillons in the mass range that is currently unconstrained by microlensing surveys.

研究の動機と目的

• 電磁波に対する分散的レンズ効果を用いて、axion星の新たな観測量を同定すること。
• 質量 $10^{-14}M_\odot$ から $10^{-11}M_\odot$ の間のコンパクトなダークマター物体を調査する際に、重力的マイクロレンズ効果の限界を克服すること。
• 高精度な電波アストロメトリーを用いたSquare Kilometer Array (SKA) が、axion星のレンズ効果によって引き起こされる異常な位置ずれを検出可能であることを示すこと。
• 周波数依存性と分散的性質に起因する、axionレンズ効果と重力レンズ効果を区別できること。
• axionパラメータ空間の広い範囲にわたるオーロンとソリトンの検出感度を評価すること。

提案手法

• axion-photons結合に起因する不均一な屈折率媒体としてaxionクラスターをモデル化し、電磁波の異常な分散を引き起こす。
• 電波の偏光角を、周波数、エネルギー、およびaxionクラスターの中心密度や質量といったパラメータの関数として計算する。
• axion-photons結合定数 $g_{a\gamma\gamma} = \alpha / f_a$ とaxionの崩壊定数 $f_a$ を用いて、レンズ効果の断面積と信号の振幅を決定する。
• 背景電波源の見かけ上の位置ずれを、sky密度 $\Sigma_0 = 10^7$ rad$^{-2}$ を仮定してシミュレーションする。
• ミッションパラメータ（5年間の観測時間、1日間隔、$10\mu$asの角分解能、レンズ速度 $v_\ell = 10^{-3}c$）を用いてSKAの感度を推定する。
• 既存のマイクロレンズ、フェムトレンズ、白色矮星加熱に関する制約と照らし合わせ、未探索のパラメータ空間を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 axion-photons結合に起因する、背景電波源の見かけ上の位置に周波数依存のずれをaxion星が引き起こす可能性はあるか？
• RQ2 アストロメトリック測定において、axion星による光学レンズ効果は重力レンズ効果と区別可能か？
• RQ3 Square Kilometer Array (SKA) は、$10^{-14}M_\odot$ から $10^{-11}M_\odot$ の質量範囲のオーロンによる光学レンズ効果に対してどの程度感度を示すか？
• RQ4 この手法は、重力的マイクロレンズが効果を発揮しない領域において、axion-photons結合とaxion質量に対して新たな制約を課すことができるか？
• RQ5 どのような条件下でオーロンが観測可能なレンズシグナルを生成するか？また、$f_a$、$\phi_c$、$g_{a\gamma\gamma}$ にどのように依存するか？

主な発見

• SKAは、$[10^{-14}, 10^{-11}]M_\odot$ の質量範囲におけるオーロンの光学レンズ効果に感度を示す。これは、重力的マイクロレンズ調査ではこれまで制約のない領域である。
• $f_a = 10^{13}$ GeV および $f_a = 10^{14}$ GeV の場合、SKAは中心axion密度 $\phi_c = 5f_a$ で結合定数 $g_{a\gamma\gamma} = \alpha / f_a$ を持つオーロンを検出可能である。
• この手法は、背景電波源の見かけ上の位置に周波数依存のずれを検出でき、有効な角分解能 $10\mu$as を達成するため、重力レンズ効果と区別可能である。
• SKAのモノブリップ探索においてブリップ信号が検出されないことは、質量範囲 $10^{-9}$ eV $\lesssim m_a \lesssim 10^{-4}$ eV におけるaxion-photons結合を制約する。
• 中心振幅が高く、axion-photons結合が強化されたオーロンが、特に平坦なポテンシャルを持つモデルでは長寿命であるため、感度が最も高くなる。
• axion星による光学レンズ効果は、他の質量を持つ天体の臨界曲線に近接した場合、複数像を生成し、顕著な増幅を引き起こす可能性があり、追加の検出チャネルを提供する。