[논문 리뷰] Constraining bosonic asymmetric dark matter with neutron star mass-radius measurements

Nathan Rutherford, G. Raaijmakers외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 05.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 X선 망원경에서의 질량-반지름 측정을 통해 뉴트리노 성분이 없는 비대칭 보존 어두운 물질(ADM)이 뉴트론성우에서 제약을 받는지를 베이지안 추론을 사용하여 분석한다. 현재의 기초 물질 상태방정식에 대한 불확실성 때문에 보존 어두운 물질의 제약을 명확히 하기 어려우나, 관측된 $1\,\mathrm{M}_{\odot}$ 이상의 뉴트론성우 질량 조건으로 인해 높은 ADM 입자 질량과 낮은 자체 상호작용 강도는 불리하게 평가된다. 그러나 ADM 질량 분율은 측정 가능하다.

ABSTRACT

Neutron stars can accumulate asymmetric dark matter (ADM) in their interiors, which affects the neutron star's measurable properties and makes compact objects prime targets to search for ADM. In this work, we use Bayesian inference to explore potential neutron star mass-radius measurements, from current and future x-ray telescopes, to constrain the bosonic ADM parameters for the case where bosonic ADM has accumulated in the neutron star interior. We find that the current uncertainties in the baryonic equation of state do not allow for constraints on the ADM parameter space to be made. However, we also find that ADM cannot be excluded and the inclusion of bosonic ADM in neutron star cores relaxes the constraints on the baryonic equation of state space. If the baryonic equation of state were more tightly constrained independent of ADM, we find that statements about the ADM parameter space could be made. In particular, we find that the high bosonic ADM particle mass ($m_χ$) and low effective self-interaction strength ($g_χ/m_ϕ)$ regime is disfavored due to the observationally and theoretically motivated constraint that neutron stars must have at least a mass of $1 \, \mathrm{M_\odot}$. However, within the remaining parameter space, $m_χ$ and $g_χ/m_ϕ$ are individually unconstrained. On the other hand, the ADM mass-fraction, i.e., the fraction of ADM mass inside the neutron star, can be constrained by such neutron star measurements.

연구 동기 및 목표

• 현재 및 향후 X선 망원경의 질량-반지름 측정이 뉴트론성우 내 보존 비대칭 어두운 물질(ADM)을 제약할 수 있는지 조사하기 위해
• ADM이 뉴트론성우의 구조, 특히 질량과 반지름에 미치는 영향을 평가하기 위해
• 뉴트론성우 관측을 통해 ADM 매개변수—입자 질량 $m_\chi$, 자체 상호작용 강도 $g_\chi/m_\phi$, 질량 분율—가 얼마나 제약될 수 있는지 파악하기 위해
• ADM가 기초 물질 상태방정식(EoS)에 미치는 영향과 ADM 포함 여부가 EoS 제약을 완화시키는지 탐색하기 위해

제안 방법

• 현재 및 향후 X선 망원경의 잠재적 질량-반지름 측정을 분석하기 위해 베이지안 추론을 사용한다.
• 보존 ADM을 자기 상호작용 항과 벡터 장에 대한 결합을 가진 스칼라 장으로 모델링하고, 평균장 근사를 가정한다.
• 에너지 밀도 $\epsilon_\chi = m_\chi c^2 n_\chi + \frac{1}{2} \frac{g_\chi^2}{m_\phi^2} \frac{\hbar^3}{c} n_\chi^2$ 와 압력 $p_\chi = \frac{1}{2} \frac{g_\chi^2}{m_\phi^2} \frac{\hbar^3}{c} n_\chi^2$ 를 포함한 스칼라 장의 상태방정식를 유도하기 위해 스트레스-에너지 텐서 형식을 적용한다.
• 평탄한 시공간과 구형 대칭, 정적인 스칼라 장 해를 가정하며, $\chi(r,t) = (A e^{ikr} + B e^{-ikr}) e^{-i\omega t}$ 로 표현하고, 기본 상태에서는 $k=0$ 으로 설정한다.
• 장 방정식에서 유도된 관계 $\phi_0 = \frac{g_\chi}{m_\phi^2} n_\chi$ 를 통해 스칼라 장과 ADM 수밀도를 연결한다.
• 기본 상태로 간주되는 $2.3\,\mathrm{M}_\odot$ 기초 물질 뉴트론성우를 기준으로, ADM 코어가 있는 모델과 없는 모델을 비교하여 질량과 반지름의 백분율 변화를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 및 향후 X선 질량-반지름 측정이 뉴트론성우 내 보존 비대칭 어두운 물질의 매개변수 공간을 제약할 수 있는가?
• RQ2 ADM 존재가 뉴트론성우의 질량과 반지름에 어떤 영향을 미치며, 이러한 변화는 관측 가능한가?
• RQ3 특히 $m_\chi$ 와 $g_\chi/m_\phi$ 에서 어떤 영역이 뉴트론성우가 최소 $1\,\mathrm{M}_\odot$ 이상의 질량을 가져야 한다는 조건으로 인해 불리하게 평가되는가?
• RQ4 ADM 포함 여부가 기초 물질 상태방정식에 대한 제약를 얼마나 완화시키는가?
• RQ5 질량-반지름 측정을 통해 뉴트론성우 내 ADM 질량 분율을 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 기초 물질 상태방정식에 대한 현재의 불확실성으로 인해 보존 ADM 매개변수 공간에 대한 의미 있는 제약가능성이 없다.
• 뉴트론성우가 최소 $1\,\mathrm{M}_\odot$ 이상의 질량을 가져야 한다는 조건으로 인해 고 $m_\chi$ 와 저 $g_\chi/m_\phi$ 영역은 불리하게 평가된다.
• 남은 매개변수 공간 내에서 현재 데이터로는 $m_\chi$ 와 $g_\chi/m_\phi$ 가 개별적으로 제약되지 않는다.
• 뉴트론성우 코어에 보존 ADM을 포함시키면 기초 물질 상태방정식에 대한 제약가 완화된다.
• ADM 질량 분율—뉴트론성우 내부의 ADM 질량 비율—는 향후 질량-반지름 측정을 통해 제약 가능하다.
• $2.3\,\mathrm{M}_\odot$ 기초 물질 뉴트론성우에서 $7\%$의 ADM 질량 분율을 가진 경우, 반지름은 $6\%$ 감소하고 중력 질량은 $9\%$ 감소한다.