[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Probing dark matter with small-scale astrophysical observations

Richard Brito, Sukanya Chakrabarti+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本白皮书提出，利用下一代引力波探测器和高精度天体测量技术，可通过超小尺度天体物理结构（如原初黑洞、超轻玻色子和致密天体）探测暗物质。它表明，这些设施将能够对地球质量尺度及更小尺度的暗物质模型施加约束，关键洞见来自引力波、宇宙微波背景（CMB）和大尺度结构数据之间的多信使协同效应。

ABSTRACT

The current understanding of dark matter comes largely from measurements of the total matter content in the universe, from the distribution of gravitating matter on very large scales, and from rotation curves and velocity dispersions on sub-galactic scales. However, small-scale structure may well hold the key to unlocking the particle physics of the still-mysterious 85% of matter in the universe. Novel small-scale astrophysical probes of new particles and dark matter will become possible with a large data volume of high-precision measurements enabled by next-generation gravitational-wave detectors and advanced astrometry instruments. Cosmic microwave background and large-scale structure surveys will provide complementary constraints on dark matter models with unique small-scale signatures. We lay out the studies of small-scale structures and compact objects as dark matter probes, and summarize the requirements to achieve the goals.

研究动机与目标

• 建立小尺度天体物理观测作为超越标准模型的暗物质探测关键手段。
• 明确下一代设施（如Cosmic Explorer、LISA和Vera Rubin天文台）如何实现对致密天体和小尺度结构的高通量、高精度数据获取。
• 倡导暗物质、致密天体和天体物理学领域之间的跨学科协作，以最大化科学产出。
• 强调新型暗物质探测手段（如超轻玻色子引起的超辐射和微引力透镜信号）的出现，这些在设施设计时尚未预见。
• 敦促资助机构支持由新数据流催生的跨领域研究，即使这些研究最初并非主要科学目标。

提出的方法

• 利用引力波激光干涉仪（如LIGO-Virgo-KAGRA、Cosmic Explorer、Einstein Telescope）探测致密天体并合信号及潜在的暗物质相互作用。
• 应用Gaia及其后继任务的高精度天体测量技术，探测由大质量致密天体引起的毫角秒位移，从而实现质量与距离的测量。
• 分析OGLE和MOA巡天中的微引力透镜事件，以识别亚太阳质量黑洞及其他暗天体。
• 结合宇宙微波背景（CMB）巡天与大尺度结构巡天（如LSST、Roman空间望远镜）数据，约束物质功率谱并抑制非线性效应。
• 建立暗物质诱导现象（如黑洞超辐射和暗物质吸积）的引力波信号模型。
• 整合理论与数值模拟，预测可观测信号并优化多信使通道中的探测策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 超小尺度结构与致密天体能否揭示暗物质的本质，特别是以原初黑洞或超轻玻色子的形式？
• RQ2 引力波探测器如何通过黑洞超辐射和环振铃信号约束新轻粒子的存在？
• RQ3 耗散性或自相互作用暗物质在小尺度天体物理系统中的可观测信号是什么？
• RQ4 未来高精度天体测量与微引力透镜巡天如何改善对亚太阳质量致密天体的约束？
• RQ5 引力波、CMB与大尺度结构探测之间存在何种协同效应，可有效分离小尺度暗物质效应？

主要发现

• 下一代引力波探测器（如Cosmic Explorer和Einstein Telescope）将能够探测至地球质量尺度的暗物质信号。
• Gaia及其后继任务的高精度天体测量可实现毫角秒位移的测量，从而在无退化的情况下确定致密透镜的质量。
• 如OGLE和MOA等微引力透镜巡天已识别出持续时间较长的事件，与恒星级黑洞一致，为亚太阳质量致密天体的存在提供了早期证据。
• 超轻玻色子在黑洞周围引起的超辐射可产生特征性的引力波爆发，LISA及未来地面探测器可探测到此类信号。
• 结合CMB与大尺度结构数据可抑制非线性修正，改善对物质功率谱的约束，尤其对大质量中微子具有显著提升。
• 引力波、天体测量与CMB探测的协同作用将能有效分离小尺度结构效应，包括自由流中微子与暗物质聚集的影响。