[論文レビュー] Soliton Merger Rates and Enhanced Axion Dark Matter Decay

Xiaolong Du, David J. E. Marsh+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、拡張されたプレス＝シェクター形式を用いて初期のダークマターハローにおけるソリトン合体率を計算し、axion星の主要合体が急速に光子に崩壊する超臨界ソリトンを生成することを示している。特定のaxionパラメータに対して、この崩壊はz > 10の段階でコア崩壊型超新星よりも高いエネルギー注入率を示し、ダークマター崩壊信号を顕著に強化する可能性がある。

ABSTRACT

Solitons are observed to form in simulations of dark matter (DM) halos consisting of bosonic fields. We use the extended Press-Schechter formalism to compute the mass function of solitons, assuming various forms for the relationship between halo mass and soliton mass. We further provide a new calculation of the rate of soliton major mergers. Solitons composed of axion DM are unstable above a critical mass, and decay to either relativistic axions or photons, depending on the values of the coupling constants. We use the computed soliton major merger rate to predict the enhanced DM decay rate due to soliton instability. For certain values of currently allowed axion parameters, the energy injection into the intergalactic medium from soliton decays to photons is comparable to or larger than the energy injection due to core collapse supernovae at $z>10$. A companion paper explores the phenomenology of such an energy injection.

研究の動機と目的

• axion様粒子からなる初期ダークマターハローにおいて形成されるソリトンの宇宙論的質量関数をモデル化すること。
• 拡張されたプレス＝シェクター形式を用いて、ハロー－ソリトン質量関係を考慮した上で、ハロー内の主要ソリトン合体率を計算すること。
• ソリトン合体がaxionダークマターの崩壊に与える影響を評価すること、特に急速に光子に崩壊する超臨界ソリトンの形成に注目すること。
• ソリトン崩壊によるIGMへのエネルギー注入量を定量し、高赤方偏移におけるコア崩壊型超新星などの天体的源と比較すること。
• 合体基準（最小質量比の閾値を含む）の違いが崩壊強化に与える感受性を評価すること。

提案手法

• ハロー－ソリトン質量スケーリング関係のさまざまな条件下で、拡張プレス＝シェクター形式を用いてソリトン質量関数を導出する。
• 質量関数と合体断面積を組み合わせた合体率計算を実装し、赤方偏移に依存するハロー成長と合体統計を組み込む。
• 臨界質量閾値（式11）を適用し、ソリトンが不安定化し、指数関数的に光子に崩壊する条件を特定する。
• N体シミュレーションを用いて準ハローの降着を再現し、合体時定数τ_mergingを動的摩擦および潮汐破壊効果を考慮して推定する。
• 中心ソリトンが実際に合体する合体を特定するために、最小質量比μ_h ≥ 0.3の条件を課し、崩壊率推定値を精緻化する。
• 赤方偏移に依存する等価光度関数を用いて、ソリトン崩壊によるエネルギー注入とPop-III超新星のエネルギー注入を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z > 10の段階における初期ダークマターハロー内での主要ソリトン合体率はどの程度か？
• RQ2 合体によって形成される超臨界ソリトンが、axionダークマターの崩壊率をどのように強化するか？
• RQ3 ソリトン崩壊によるIGMへのエネルギー注入率はどの程度で、コア崩壊型超新星の寄与と比べてどうか？
• RQ4 合体閾値（例：μ_h ≥ 0.3）や軌道力学の選択に伴う崩壊強化の感受性はどの程度か？
• RQ5 ソリトン合体駆動の崩壊が、高赤方偏移のIGMに観測可能なシグネチャを残す可能性はあるか？

主な発見

• 現在の観測的制約内にあるaxionパラメータに対して、z > 10の段階でソリトン崩壊による光子へのエネルギー注入は、コア崩壊型超新星のそれよりも数個のオーダー以上に上回る。
• ソリトン合体率は拡張プレス＝シェクター形式を用いて計算されており、質量関数は仮定されたハロー－ソリトン質量関係に依存する。
• 質量比μ_h ≥ 0.3のソリトン合体は中心ソリトンの合体を引き起こし、その結果生じる超臨界ソリトンはτ_mergingに比べて無視できるほど短い時定数で指数関数的に崩壊する。
• μ_h ≥ 0.3の閾値を導入することで、α = 1/3の場合は予測崩壊率が40%低下し、α = 3/5の場合は10%低下する。これは合体選択基準にやや感受性があるが、大きな影響ではないことを示している。
• μ_h ≥ 0.3の条件を満たす合体時定数τ_mergingは約0.16 Gyrと推定され、降着時のハッブル時間より短いため、遅延効果は小さい。
• 結果から、ソリトン合体は高赤方偏移におけるエネルギー注入の主因となり得る。宇宙マイクロ波背景または21 cm背景に検出可能なインプリントを残す可能性がある。