[論文レビュー] WIMP annihilation effects on primordial star formation

E. Ripamonti, Fabio Iocco+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、最初の星形成期における原始的ガス雲の熱的・化学的進化に、WIMPと呼ばれる暗黒物質の対消滅が与える影響を調査する。1次元球対称流体力学コードを用い、WIMP対消滅、ガス化学、冷却の自己無撞撃的フィードバックを組み合わせた計算により、H₂および自由電子の濃度が対消滅に起因する加熱により著しく増加する一方、その結果生じる温度低下はわずか（要因≤1.5）であり、ジェンス質量および分岐スケールへの影響は限定的である。これは、原始星の初期質量関数にほとんど影響を与えないことを示唆している。

ABSTRACT

We study the effects of WIMP dark matter (DM) annihilations on the thermal and chemical evolution of the gaseous clouds where the first generation of stars in the Universe is formed. We follow the collapse of the gas inside a typical halo virializing at very high redshift, from well before virialization until a stage where the heating from DM annihilations exceeds the gas cooling rate. The DM energy input is estimated by inserting the energy released by DM annihilations (as predicted by an adiabatic contraction of the original DM profile) in a spherically symmetric radiative transfer scheme. In addition to the heating effects of the energy absorbed, we include its feedback upon the chemical properties of the gas, which is critical to determine the cooling rate in the halo, and hence the fragmentation scale and Jeans mass of the first stars. We find that DM annihilation does alter the free electron and especially the H2 fraction when the gas density is n>~ 10^4 cm^-3, for our fiducial parameter values. However, even if the change in the H2 abundance and the cooling efficiency of the gas is large (sometimes exceeding a factor 100), the effects on the temperature of the collapsing gas are far smaller (a reduction by a factor

研究の動機と目的

• 原始星形成期におけるWIMP暗黒物質対消滅の、原始的ガス雲の熱力学および化学的進化に与えるフィードバックを調査すること。
• DM対消滅が、崩壊する原始的ハローのジェンス質量および分岐スケールを顕著に変化させるかどうかを評価すること。
• 高赤方偏移ハローにおける、DM対消滅からのエネルギー供給、ガス冷却、および分子水素形成の相互作用をモデル化すること。
• DM対消滅によるエネルギー供給の増加が、自由電子がH₂形成を触媒する役割を果たすかどうかを評価すること。
• DM対消滅が、第III星族の初期質量関数に顕著な変化をもたらす可能性があるかどうかを特定すること。

提案手法

• 重力、流体力学、化学、冷却を含むガス進化をシミュレートするため、ラグランジュ的1次元球対称流体力学コードが用いられる。
• Gnedinら（2004）の断熱収縮（AC）アルゴリズムが、バリオンの収縮に応じた暗黒物質プロファイルの更新に適用される。
• DM対消滅からのエネルギー供給率は、式 $ l_{dm}(r) = f c^2 \frac{\braket{\sigma v}}{m_{DM}} \rho_{DM}^2(r) $ を用いて計算され、ここで $ m_{DM} = 100 \, \text{GeV}/c^2 $、$ \braket{\sigma v} = 3 \times 10^{-26} \, \text{cm}^3/\text{s} $、$ f = 2/3 $（吸収エネルギー分率）である。
• 放射線輸送を用い、有効な吸収率 $ \kappa = 0.01 \, \text{cm}^2/\text{g} $ を用いて、対消滅エネルギーのうちバリオンに吸収される割合を推定する。
• 中心ガス密度、温度、冷却率、加熱率、H₂濃度、自由電子分率の進化を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WIMP対消滅は、特にH₂および自由電子濃度に関して、原始的ガスの化学的進化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 WIMP対消滅によるエネルギー供給は、原始的ハローの収縮期におけるガス温度にどの程度の影響を与えるか？
• RQ3 WIMP対消滅の総合的影響は、冷却効率および収縮する原始的ガス雲のジェンス質量にどのような影響を及えるか？
• RQ4 どのガス密度で、DM対消滅による加熱が冷却を上回り始め、分岐にどのような影響を与えるか？
• RQ5 WIMP対消滅は、第III星族の初期質量関数を顕著に変化させるか？

主な発見

• WIMP対消滅は、密度 $ n \gtrsim 10^4 \, \text{cm}^{-3} $ のガスにおいて、H₂濃度および自由電子濃度を著しく増加させ、場合によっては100倍以上に達する。
• H₂濃度の著しい増加にもかかわらず、H₂冷却効率の強い温度依存性のため、ガス温度は最大で1.5倍まで低下する。
• H₂形成の増加により冷却率は著しく上昇するが、これは温度低下によって相殺され、結果として熱力学的状態への影響はわずかにとどまる。
• 密度 $ n \gtrsim 10^9 \, \text{cm}^{-3} $ ではH₂形成が飽和し、DM対消滅あり・なしのモデル間で冷却率が一致する。
• 密度 $ n \gtrsim 10^{11} \, \text{cm}^{-3} $ では、DM対消滅による直接加熱が冷却を上回り、最終的に中心温度が標準モデルを上回るようになる。
• ジェンス質量は最大で $ \sim 2 $ 倍まで減少するが、これはWIMP対消滅が原始星の分岐スケールおよび初期質量関数にほとんど影響しないことを示唆している。