[논문 리뷰] The effects of self-interacting bosonic dark matter on neutron star properties

Edoardo Giangrandi, Violetta Sagun외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 22.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 두 유체 체계를 사용하여 자기상호작용 보존성 어두운 물질(DM)이 중성자별(NS) 성질에 미치는 영향을 조사한다. DM은 응축된 핵 또는 희박한 허브로 모델링된다. 핵 DM은 NS의 반지름과 조기 변형도를 감소시키며, 이는 연성 방정정식을 모방한다. 반면 허브 DM은 둘 다 증가시키며, 향후 중력파 및 다중 메신저 관측을 통해 확인 가능한 증거가 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 두 유체 체계를 사용하여 자기상호작용 보존성 어두운 물질이 중성자별의 구조에 미치는 영향을 모델링하기.
• 어두운 물질 분포가 핵에 응축되어 있거나 희박한 허브를 이루는지에 따라 NS의 관측 가능 물리량(반지름, 질량, 조기 변형도)에 어떤 영향을 미치는지 조사하기.
• 특히 빌렛 클러스터와 GW170817 데이터를 포함하여 천체물리학적 및 중력파 데이터를 사용하여 모델 파라미터를 제약하기.
• 강한 핵물질 상태방정식의 불확실성과 무관하게 중성자별 내 어두운 물질의 명백한 징후를 규명하기.

제안 방법

• 기본 입자 물질과 어두운 물질을 각각의 화학적 포텐셜을 가진 별개의 성분으로 간주하는 두 유체 체계를 채택한다.
• 자기상호작용 보존성 어두운 물질을 4차 상호작용 항을 포함한 그로스-피타에프스키 방정식과 평균장 근사를 사용하여 모델링한다.
• 효과적인 음속을 계산하고 두 유체 체계의 기계적 안정성을 확보하기 위해 열역학적 항등식을 적용한다.
• 다양한 어두운 물질 비율(1%, 3%, 5%)과 상호작용 강도를 고려하여 수치적 별 구조 계산을 수행하며, 어두운 물질 입자 질량과 자기상호작용 스케일을 변화시킨다.
• 타당한 매개변수 공간을 제한하기 위해 빌렛 클러스터에서의 어두운 물질 자기상호작용 확률을 제약 조건으로 적용한다.
• 관측 제약 조건과 결과를 비교한다: GW170817의 조기 변형도($\Lambda_{1.4} \leq 800$), 고질량 펄서 측정치, NICER X선 데이터.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자별의 핵 또는 허브에 존재하는 자기상호작용 보존성 어두운 물질이 반지름과 조기 변형도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 어두운 물질 효과가 중성자별 내 고밀도 핵물질 상태방정식의 진짜 상태를 어느 정도 모방하거나 가리킬 수 있는가?
• RQ3 어두운 물질의 관측 가능한 징후는 핵물질 상태방정식의 불확실성과 무관하게 무엇인가?
• RQ4 빌렛 클러스터와 중력파 관측 결과로부터 얻어진 제약 조건이 자기상호작용 보존성 어두운 물질의 타당한 매개변수 공간을 어느 정도 제한하는가?
• RQ5 현재의 천체물리학적 및 중력파 데이터와 일치하는 최대 가능한 어두운 물질 비율은 얼마인가?

주요 결과

• 응축된 어두운 물질 핵은 중성자별의 반지름과 조기 변형도를 감소시키며, 중력파 및 X선 관측 결과에서 관찰되는 연성 상태방정식을 효과적으로 모방한다.
• 희박한 어두운 물질 허브는 총 중력질량과 조기 변형도를 모두 증가시키며, 이는 강성 상태방정식을 모방할 수 있다.
• 5%의 어두운 물질 비율일 경우, 중성자별의 최대 중력질량이 2 $M_{\odot}$에 도달하지 못함을 보여, 높은 어두운 물질 농도에 대한 강력한 제약 조건이 있음을 시사한다.
• 1% 어두운 물질 비율의 경우, 테스트된 모든 매개변수 값에서 GW170817 조기 변형도 제약 조건과 일치하지 않아, 일부 시나리오에서는 낮은 어두운 물질 비율을 배제한다.
• 빌렛 클러스터의 병합 천체물리학적 제약과 결합된 중력파 제약 조건으로부터 $m_{\chi}$–$m_{I}$ 매개변수 공간 내에서 배제되는 영역을 규명하였다.
• 비정상적인 반지름-조기 변형도 상관관계 또는 질량-반지름 관계의 이질성과 같은 '단서 신호'는 향후 다중 메신저 관측에서 어두운 물질 효과와 핵물질 상태방정식의 불확실성 간을 명확히 구분할 수 있다.