[論文レビュー] Solar System Dark Matter

Stephen L. Adler|ArXiv.org|Mar 27, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、地球および惑星に束縛されたダークマターの可能性を調査し、このようなダークマターが宇宙船のスライドバイ飛行における異常な速度変化を説明できる可能性を提案している。LAGEOS、月周回衛星、月レーザーレトロリフレクタの軌道追跡データを用いて、地球に束縛されたダークマター質量のきつい上限値を導出し、それが約6×10¹⁰ GeV/c²cm³の密度に達する可能性があると示唆している。また、宇宙船の原子核との弾性散乱および非弾性散乱を通じて、スライドバイ異常が生じる可能性を検討している。

ABSTRACT

I review constraints on solar system-bound dark matter, and discuss the possibility that dark matter could be gravitationally bound to the earth and other planets. I briefly survey various empirical constraints on such planet-bound dark matter, and discuss effects it could produce if present, including anomalous planetary heating and flyby velocity changes.

研究の動機と目的

• 地球や他の惑星に重力的に束縛されたダークマターの可能性を評価すること。
• 正確な人工衛星および月の追跡データを用いて、地球に束縛されたダークマターの観測的制約を導出すること。
• ダークマターの散乱が、惑星スライドバイにおける説明のつかない速度変化を説明できるかどうかを調査すること。
• 宇宙船の軌道に測定可能な影響を与える可能性があるダークマター分布および散乱ダイナミクスをモデル化すること。

提案手法

• LAGEOS衛星の追跡と月レーザーレトロリフレクタを用いて、合成重力パラメータGM_combinedを測定し、地球に束縛されたダークマターの寄与を分離する。
• 関係式GM_dm ≈ GM_combined - GM_⊕ - GM_⊕/R_⊕/mを適用して、地球と月の間のダークマター質量を制約する。
• 地球の自軸から半径rおよび角度χの位置に、二つの速度成分を持つ、切り詰められた球殻型のダークマターをモデル化する。
• ダークマター粒子と宇宙船の核子との間の弾性および非弾性散乱による平均断面積に依存する速度変化を計算する。
• 宇宙船の軌道に沿って仕事の増分を統合し、エネルギーおよび速度変化の合計を計算する。
• スライドバイ異常データに適合させるために、ダークマター質量、断面積、および軌道配置のパラメータ空間探索を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の軌道追跡データを用いて、地球に束縛されたダークマター質量にどの程度の上限を設定できるか。
• RQ2 地球に束縛されたダークマターが、宇宙船スライドバイで観測された異常な速度変化を説明できるか。
• RQ3 宇宙船の原子核と散乱することで、スライドバイにおいて速度の減少と増加の両方を生じさせるには、ダークマターがどのような性質を備えている必要があるか。
• RQ4 球殻型に分布するダークマターの軌道的ダイナミクスおよび速度分布が、宇宙船への合成運動量転送にどのように影響するか。
• RQ5 弾性散乱と非弾性散乱の両方を有する二種類のダークマターを含むモデルは、観測されたスライドバイ異常を再現できるか。

主な発見

• 地球に束縛されたダークマター質量の上限はGM_dm ≈ (0.3 ± 4) × 10⁻⁹ GM_⊕であり、均一に分布していると仮定した場合、最大密度は約6×10¹⁰ GeV/c²cm³であると示唆される。
• 導出された上限は、銀河ハローのダークマター密度や太陽に束縛されたダークマターの上限と比較して顕著に高い。
• 地球に束縛されたダークマターがスライドバイにおける速度変化を生じるためには、質量が1 GeV未満であり、核子散乱断面積が10⁻³³〜10⁻²⁷ cm²の範囲にある必要がある。
• 速度の減少は弾性散乱によって生じ、速度の増加はより軽いダークマター状態への発熱的非弾性散乱によって生じる。
• 必要なダークマターは自己相殺をしないもので、核子が存在しない状況でも安定でなければならない。これは標準的な弱い相互作用を有する大質量粒子（WIMP）モデルとは異なる。
• アンダーソン研究グループのスライドバイ異常データを再現するため、異なる弾性および非弾性散乱成分を有する二種類のダークマターを含むモデルが提案されている。