[논문 리뷰] Bosonic Dark Matter in Light of the NICER Precise Mass-Radius Measurements

Soroush Shakeri, Davood Rafiei Karkevandi|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 31.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 NICER의 정밀한 질량-반지름 측정치를 활용하여 중성자별(Neutron Stars, NSs) 내 자가상호작용 보존성 어둠료물질(Dark Matter, DM)을 조사한다. 연구 결과, 어둠료물질 헬로가 관측과 일치하는 반면, 어둠료물질 코어는 반지름과 질량을 관측 한계 이하로 낮춘다. 최대 질량 제약 조건은 어둠료물질 분율을 강력하게 제한하며, λ = π일 때 mχ ≳ 200 MeV인 경우 분율이 <4% 이하로 제한된다. 또한, 펄스 프로파일을 새로운 관측 가능량으로 도입하여 어둠료물질 함량을 탐지한다.

ABSTRACT

We explore the presence of self-interacting bosonic dark matter (DM) within neutron stars (NSs) in light of the latest multi-messenger observations of the Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) and LIGO/Virgo detectors. The bosonic DM is distributed as a core inside the NS or as a halo around it leading to formation of a DM admixed NS. We focus on the variation of the visible and dark radius of the mixed object due to DM model parameters and fractions. It is shown that DM core formation reduces the visible radius and the total mass pushing them below observational limits while halo formation is in favor of the latest mass-radius observations. Moreover, we scan over the parameter space of the bosonic DM model considering two nuclear matter equation of states by applying the radius, maximum mass and tidal deformability constraints. Our investigation allows for the exclusion of a range of DM fractions, self-coupling constant and sub-GeV boson masses, which limits the amount of accumulated DM to relatively low values to be consistent with astrophysical bounds. In this paper, we introduce main features of the pulse profile corresponding to the DM admixed NS as a novel observable quantity. We find that the depth of minimum fluxes in the pulse profiles crucially depends on the amount of DM around NS and its compactness. The current/future astrophysics missions may test the possibility of the existence of DM within NSs and break the degeneracies between different scenarios via multiple observations.

연구 동기 및 목표

• 최근 NICER의 중성자별 질량-반지름 측정치와 자가상호작용 보존성 어둠료물질이 일치하는지 평가하는 것.
• 어둠료물질이 중성자별 내부에서 코어 또는 헬로를 형성하는지, 그리고 이로 인해 질량과 반지름과 같은 관측 가능한 성질이 어떻게 영향을 받는지 규명하는 것.
• 질량, 반지름, 조임성 변형도의 다중 메신저 제약 조건을 통합하여 보존성 어둠료물질 모델의 매개변수 공간을 제약하는 것.
• 어둠료물질이 첨가된 중성자별의 펄스 프로파일을 도입하고 분석하여 어둠료물질 시나리오를 구분할 수 있는 새로운 관측 가능량으로 활용하는 것.

제안 방법

• 상대론적 평균장 접근법과 스칼라 자가상호작용 포텐셜을 사용하여 자가상호작용 보존성 어둠료물질이 첨가된 중성자별을 모델링하는 것.
• Tolman-Oppenheimer-Volkoff 방정식을 수치적으로 해결하여 어둠료물질 분율과 결합 강도가 다른 어둠료물질이 첨가된 중성자별의 질량-반지름 관계를 계산하는 것.
• NICER(PSR J0740+6620 및 PSR J0030+0451), LIGO/Virgo/KAGRA(조임성 변형도), 그리고 2.17 M☉의 최대 질량 한계를 포함한 관측 제약 조건을 적용하는 것.
• 어둠료물질이 첨가된 중성자별의 펄스 프로파일을 시뮬레이션하여 어둠료물질 함량과 복잡도가 복사 강도 변동의 깊이에 어떻게 영향을 주는지 규명하는 것.
• 어둠료물질 매개변수(질량 mχ, 자가결합 상수 λ, 분율)를 스캔하여 다중 메신저 데이터와 일치하는 영역을 식별하는 것.
• 베이지안 분석 원리를 활용하여 다양한 바리온 물질 상태방정식에서 모델의 민감도와 강건성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자가상호작용 보존성 어둠료물질이 NICER의 정밀한 질량-반지름 측정치와 일치하는 안정된 구조를 중성자별 내부에 형성할 수 있는가?
• RQ2 중성자별 주변에 어둠료물질 코어 또는 헬로가 형성될 때, 질량과 반지름에 대한 현재 관측 제약 조건과 어느 것이 더 잘 부합하는가?
• RQ3 최대 질량과 반지름 제약 조건이 동시에 작용할 경우, 중성자별 내 보존성 어둠료물질의 분율과 성질은 어떻게 제약을 받는가?
• RQ4 중성자별의 펄스 프로파일이 얼마나 잘 어둠료물질을 탐지하고 특성화하는 데 유용한 진단 도구가 될 수 있는가?
• RQ5 이러한 제약 조건은 GW190814의 보조 성체인 이국적인 압축된 천체 내 어둠료물질 존재 가능성에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 어둠료물질 코어 형성은 중성자별의 시각적 반지름과 총 질량을 낮춰 NICER 및 기타 다중 메신저 데이터의 관측 한계 이하로 이끈다.
• 반면, 어둠료물질 헬로 형성은 최신 NICER 질량-반지름 관측과 일치하며, 특히 PSR J0740+6620 및 PSR J0030+0451에서 잘 맞는다.
• 최대 질량 제약 조건은 반지름 제약 조건보다 더 엄격한 제약을 제공하여, 1GeV 이하의 보존성 입자에 대해 큰 어둠료물질 분율을 배제한다.
• 강한 결합 조건(λ = π)에서 보존성 입자 질량 mχ ≳ 200 MeV일 경우, 누적 어둠료물질 분율은 약 4% 이하로 제한된다.
• 낮은 질량의 보존성 입자(mχ ≤ 105 MeV)는 어떤 어둠료물질 분율에서도 최대 질량과 반지름 제약 조건을 충족하지만, 조임성 변형도를 포함하면 더 강력한 제약 조건이 도출된다.
• 펄스 프로파일의 최소 복사 강도의 깊이는 어둠료물질의 양과 별의 복잡도에 매우 민감하여, 중성자별 내 어둠료물질 탐지에 새로운 관측 가능량으로 유용하다.