[論文レビュー] The effects of self-interacting bosonic dark matter on neutron star properties

Edoardo Giangrandi, Violetta Sagun+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、2相形式を用いて、自己相互作用を示すボソン的ダークマター（DM）が中性子星（NS）の性質に与える影響を調査している。DMは、凝縮したコアまたは希薄なハローとしてモデル化される。コアDMはNSの半径と潮汐歪みを低下させ、方程式状態が軟化したかのように振る舞うが、ハローDMは両者を増加させ、将来的な重力波およびマルチメッセンジャ観測で検出可能な決定的兆候を提供する。

ABSTRACT

We propose a model of asymmetric bosonic dark matter (DM) with self-repulsion mediated by the vector field coupled to the complex scalar particles. By adopting the two-fluid formalism, we study different DM distribution regimes, either, fully condensed inside the core of a star or, otherwise, distributed in a dilute halo around a neutron star (NS). We show that DM condensed in a core leads to a decrease of the total gravitational mass, radius and tidal deformability compared to a pure baryonic star with the same central density, which we will perceive as an effective softening of the equation of state (EoS). On the other hand, the presence of a DM halo increases the tidal deformability and total gravitational mass. As a result, an accumulated DM inside compact stars could mimic an apparent stiffening of strongly interacting matter equation of state and constraints we impose on it at high densities. From the performed analysis of the effect of DM particles in a MeV-GeV mass-scale, interaction strength, and relative DM fractions inside NSs we obtained a rigorous constraint on model parameters. Finally, we discuss several smoking guns of the presence of DM that are free from the above mentioned apparent modification of the strongly interacting matter equation of state. With this we could be probed with the future astrophysical and gravitational wave (GW) surveys.

研究の動機と目的

• 2相形式を用いて、バリオン物質とダークマターを別個の成分として扱い、中性子星構造に及ぼす自己相互作用ボソン的DMの影響をモデル化すること。
• DMの分布（凝縮したコアまたは希薄なハロー）が、半径、質量、潮汐歪みといったNSの観測量にどのように影響を与えるかを調査すること。
• 特にバングルクラスタおよびGW170817からのデータを用いて、モデルパラメータを制約すること。
• バリオン系方程式状態の不確実性に依存しない、NS内のDMの明確な兆候を特定すること。

提案手法

• バリオン物質とダークマターを別個の化学ポテンシャルを持つ独立した成分として扱う2相形式を採用する。
• 自己相互作用ボソン的DMを四次相互作用項を含むGross-Pitaevskii方程式と平均場近似を用いてモデル化する。
• 力学的安定性を保証するため、有効音速を計算するための熱力学的恒等式を適用する。
• DMの割合（1%、3%、5%）と相互作用強度を変化させ、DM粒子質量および自己相互作用スケールを変動させた数値的星構造計算を実施する。
• バングルクラスタからの制約を用いて、DMの自己相互作用断面積を制限し、妥当なパラメータ空間を絞る。
• 観測的制約（GW170817の潮汐歪み：$\Lambda_{1.4} \leq 800$、高質量パulsar測定、NICER X線データ）と結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星のコアまたはハローに自己相互作用ボソン的ダークマターが存在する場合、その半径と潮汐歪みはどのように変化するか？
• RQ2 DMの効果は、中性子星における高密度バリオン物質の真の状態方程式をどれほど模倣または隠蔽する可能性があるか？
• RQ3 バリオン系状態方程式の不確実性に依存しない、中性子星におけるDMの観測可能な兆候は何か？
• RQ4 バングルクラスタおよび重力波観測からの制約は、中性子星内に存在する自己相互作用ボソン的DMの妥当なパラメータ空間をどの程度制限するか？
• RQ5 現在の天体物理学的および重力波データと整合する限り、中性子星に存在可能な最大のDM割合は何か？

主な発見

• 凝縮したダークマター・コアは中性子星の半径と潮汐歪みを低下させ、重力波およびX線観測で観測されるように、方程式状態が軟化したかのように振る舞う。
• 希薄なダークマター・ハローは、合計重力的質量と潮汐歪みの両方を増加させ、方程式状態が硬化したかのように振る舞う可能性がある。
• DM割合が5%の場合、中性子星の最大重力的質量は2 $M_{\odot}$ に達しないことが示され、高濃度のDMには強い制約がかかる。
• 1%のDM割合は、テストしたすべてのパラメータ値においてGW170817の潮汐歪み制約と整合せず、一部のシナリオでは低濃度のDMを除外する。
• バングルクラスタからの統合的天体物理学的および重力波制約により、$m_{\chi}$–$m_{I}$ パラメータ空間の一部が除外される領域が特定された。
• 異常な半径-潮汐歪み相関や質量-半径関係のずれといった決定的信号は、将来的なマルチメッセンジャ観測で、DM効果とバリオン系状態方程式の不確実性を明確に区別できる可能性がある。