[논문 리뷰] WIMP annihilation effects on primordial star formation

E. Ripamonti, Fabio Iocco외 4명|arXiv (Cornell University)|2009. 03. 02.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 초기 별 형성 기간 동안 WIMP 암흑 물질 결합이 원시 가스 구름의 열역학적 및 화학적 진화에 미치는 영향을 조사한다. WIMP 결합, 기체 화학, 냉각 간의 자기 일관된 피드백을 포함한 1차원 구형 대칭 유체역학 코드를 사용하여, H₂ 및 자유 전자 농도가 결합 유도 열화로 인해 크게 증가하지만, 이로 인한 온도 감소는 미미하다(최대 1.5배 이내), 결과적으로 젠스 질량과 분할 스케일에 대한 영향은 미미하여 원시 별의 초기 질량 함수에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.

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

연구 동기 및 목표

• 초기 별 형성 기간 동안 WIMP 암흑 물질 결합이 원시 가스 구름의 열역학 및 화학에 미치는 피드백을 조사하기 위해.
• 암흑 물질 결합이 붕괴하는 원시 허브의 젠스 질량과 분할 스케일을 상당히 변화시키는지 평가하기 위해.
• 고적도 허브에서 WIMP 결합의 에너지 공급, 기체 냉각, 분자 수소 형성 간의 상호작용을 모델링하기 위해.
• WIMP 결합으로 인한 증가된 에너지 공급 조건 하에서 자유 전자가 H₂ 형성 촉매 역할을 하는지 평가하기 위해.
• 암흑 물질 결합이 인구 III 별의 초기 질량 함수에 극적인 변화를 초래할 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 중력, 유체역학, 화학, 냉각을 포함한 기체 진화를 시뮬레이션하기 위해 라그랑주 1차원 구형 대칭 유체역학 코드를 사용하였다.
• Gnedin 등(2004)의 등온 수축(AC) 알고리즘을 적용하여 복합 물질 붕괴에 대응하여 암흑 물질 프로파일을 업데이트하였다.
• 암흑 물질 결합 에너지 공급률은 공식 $ l_{dm}(r) = f c^2 \frac{\braket{\sigma v}}{m_{DM}} \rho_{DM}^2(r) $ 를 사용하여 계산되었으며, $ m_{DM} = 100 \, \text{GeV}/c^2 $, $ \braket{\sigma v} = 3 \times 10^{-26} \, \text{cm}^3/\text{s} $, $ f = 2/3 $ (흡수된 에너지 비율)이다.
• 기본 투과도 $ \kappa = 0.01 \, \text{cm}^2/\text{g} $ 를 갖는 복사 전달 계산을 통해 기브스에 흡수된 결합 에너지 비율을 추정하였다.
• 중앙 기체 밀도, 온도, 냉각 속도, 가열 속도, H₂ 농도, 자유 전자 비율의 진화를 추적하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WIMP 결합은 원시 기체의 화학적 진화, 특히 H₂ 및 자유 전자 농도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 WIMP 결합으로 인한 에너지 공급이 원시 허브 붕괴 기간 동안 기체 온도에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 WIMP 결합이 붕괴하는 원시 기체 구름의 냉각 효율성과 젠스 질량에 미치는 순수 영향은 무엇인가?
• RQ4 기체 밀도가 어느 수준에서 암흑 물질 결합의 가열이 냉각을 능가하게 되며, 이는 분할에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 WIMP 결합이 인구 III 별의 초기 질량 함수를 상당히 변화시키는가?

주요 결과

• WIMP 결합은 기체 밀도 $ n \gtrsim 10^4 \, \text{cm}^{-3} $ 에서 H₂ 농도와 자유 전자 농도를 크게 증가시키며, 일부 경우에서 H₂ 농도 변화가 100배 이상 초과한다.
• H₂ 농도의 큰 증가에도 불구하고, H₂ 냉각 효율의 강한 온도 의존성으로 인해 기체 온도는 최대 1.5배 이내로 감소한다.
• H₂ 형성 증가로 인해 냉각 속도가 크게 증가하지만, 이는 온도 저하로 상쇄되어 열역학적 조건에 대한 순수한 변화는 미미하다.
• $ n \gtrsim 10^9 \, \text{cm}^{-3} $ 에서 H₂ 형성이 포화되며, 암흑 물질 결합 유무에 관계없이 냉각 속도가 수렴한다.
• $ n \gtrsim 10^{11} \, \text{cm}^{-3} $ 에서 암흑 물질 결합의 직접적 가열이 냉각을 능가하게 되어, 결국 중심 온도가 표준 모델을 초월하게 된다.
• 젠스 질량은 최대 약 2배 이내로 감소하여, WIMP 결합이 원시 별의 분할 스케일과 초기 질량 함수에 미치는 영향은 미미하다.