[논문 리뷰] Numerical Evidence for Dark Star Formation: A Comment on "Weakly Interacting Massive Particle Dark Matter and First Stars: Suppression of Fragmentation in Primordial Star Formation" by Smith et al. 2012, ApJ 761, 154

Paolo Gondolo, Katherine Freese외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 28.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 Smith 등(2012)의 시뮬레이션 결과가 암흑물질 붕괴가 가스 분열을 억제하고 고밀도(~10^17 cm⁻³)에서 평형 암흑별 형성을 가능하게 한다는 강력한 수치적 근거를 제공한다고 주장한다. 시뮬레이션 결과, 붕괴 과정에서 형성된 싱크는 암흑물질 붕괴 가열에 의해 안정화되어 암흑별이 되며, 이들 주변에는 원반 구조가 형성되고, 보조적인 싱크는 멀리 떨어져 형성되어 암흑별의 암흑물질 환경과 에너지원을 유지한다.

ABSTRACT

(abridged) This comment is intended to show that simulations by Smith et al. (S12) support the Dark Star (DS) scenario and even remove some potential obstacles. Our previous work illustrated that the initial hydrogen densities of the first equilibrium DSs are high, ~10^{17}/cm^3 for the case of 100 GeV WIMPs, with a stellar radius of ~2-3 AU. Subsequent authors have somehow missed the fact that equilibrium DSs have the high densities they do. S12 have numerically simulated the effect of dark matter annihilation on the contraction of a protostellar gas cloud en route to forming the first stars. They show results at a density ~5 10^{14}/cm^3, slightly higher than the value at which annihilation heating prevails over cooling. However, they are apparently unable to reach the ~10^{17}/cm^3 density of our hydrostatic DS solutions. We are in complete agreement with their physical result that the gas keeps collapsing to densities > 5 10^{14}/cm^3, as it must before equilibrium DSs can form. However we are in disagreement with some of the words in their paper which imply that DSs never come to exist. It seems to us that S12 supports the DS scenario. They use the sink particle approach to treat the gas that collapses to scales smaller than their resolution limit. We argue that their sink is effectively a DS, or contains one. An accretion disk forms as more mass falls onto the sink, and the DS grows. S12 not only confirm our predictions about DS in the range where the simulations apply, but also solve a potential obstruction to DS formation by showing that dark matter annihilation prevents the fragmentation of the collapsing gas. Whereas fragmentation might perturb the dark matter away from the DS and remove its power source, instead S12 show that further sinks, if any, form only far enough away as to leave the DS undisturbed in the comfort of its dark matter surroundings.

연구 동기 및 목표

• 가스 분열에 대한 우려가 있음에도 암흑별 형성이 가능할지에 대한 문헌 간 모순을 해결하기 위해.
• 일부 해석과는 반대로 Smith 등 시뮬레이션 결과가 실제로 암흑별 시나리오를 지지한다는 것을 보여주기 위해.
• 싱크 입자가 높은 밀도와 암흑물질 붕괴에서 발생하는 에너지 부여로 인해 실제로 암흑별을 효과적으로 대체한다고 주장하기 위해.
• 암흑물질 붕괴가 원반 안정성을 높이고 분열을 방지하여 암흑별의 암흑물질 환경을 유지한다는 것을 보여주기 위해.
• 미래 연구를 위해 더 높은 해상도의 시뮬레이션과 고에너지 암흑물질 붕괴 생성물의 개선된 모델링을 제안하기 위해.

제안 방법

• 초기 은하의 가스 붕괴를 모델링하기 위해 3차원 유체역학 시뮬레이션을 사용하고, 싱크 입자를 도입한다.
• 싱크 입자가 높은 밀도(~10^17 cm⁻³)와 암흑물질 붕괴에서 발생하는 에너지 부여를 가지므로 효과적인 암흑별로 간주한다.
• 해상도가 부족한 소규모 역학을 처리하기 위해 약 5 AU의 질량 첨부 반경을 적용한다.
• 100 GeV WIMP 붕괴 생성물에서 발생하는 에너지 부여를 모델링하며, 전자기 캐스케이드와 기체와의 열화학적 평형을 포함한다.
• 분열 억제 여부를 평가하기 위해 Toomre 파라미터 Q > 1을 사용하여 원반 안정성을 평가한다.
• 해석적 암흑별 해법과 시뮬레이션 결과를 비교하여 평형 암흑별 존재 여부를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Smith 등의 시뮬레이션은 초기 가스 구름에서 평형 암흑별 형성을 지지하는가?
• RQ2 암흑물질 붕괴가 초기 가스 붕괴 과정에서 분열을 방지하여 암흑별 형성을 가능하게 하는가?
• RQ3 시뮬레이션에서의 싱크 입자는 물리적 성질과 에너지 부여로 인해 실제로 암흑별로 간주될 수 있는가?
• RQ4 시뮬레이션에서 형성된 원반은 암흑물질 가열로 인해 분열에 저항하는 안정성을 유지하는가?
• RQ5 100 GeV WIMP의 고에너지 붕괴 생성물은 붕괴하는 기체 내에서 에너지 부여와 열화학적 평형에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Smith 등 시뮬레이션은 암흑물질 붕괴가 분열을 억제하여 단일 중심 프로토별이 형성될 수 있음을 확인한다.
• 시뮬레이션은 가스 밀도 약 ~5×10^14 cm⁻³에 도달했으며, 평형 암흑별 형성에 필요한 약 ~10^17 cm⁻³에 도달하기는 했지만 아직 완전히 도달하지는 않았다.
• 시뮬레이션에서의 싱크 입자는 약 10 M⊙의 질량을 가지며, 암흑별을 수용할 수 있을 정도로 충분히 높은 밀도를 가지며, 내부 조건이 암흑별 해법과 일치한다.
• 중앙 싱크 주변 약 1000 AU 곳에 원반이 형성되었으며, 붕괴 가열에 의해 안정화되어 Toomre 파라미터 Q > 1을 유지한다.
• 보조 싱크는 모두 거리 1000 AU 이상 떨어진 곳에 형성되어 중심 암흑별의 암흑물질 환경과 에너지원을 유지한다.
• 시뮬레이션은 분열이 중심 암흑물질 분포를 파괴하지 않음을 보여주어 암흑별 형성의 핵심 장애물을 해결한다.