[論文レビュー] Ultralight bosonic dark matter in white dwarfs and potential observational consequences

N. Sanchis-Gual, Paula Izquierdo|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 89被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、重力的冷却を通じて混合白色矮星-ボソン星の動的形成を調査し、超軽量ボソン的ダークマターの降着が白色矮星の構造に影響を与え、そのコンパクト性を増加させ、重力赤方偏移を変更することを示している。主な結果として、このような混合構造は電磁的観測では標準的白色矮星と同一に見えるが、重力赤方偏移の違いにより質量推定値が不一致を示す可能性があり、白色矮星の質量-半径関係における小さな観測的不一致を説明する手がかりとなる可能性がある。

ABSTRACT

Fluid and ultralight bosonic dark matter can interact through gravity to form stable fermion-boson stars, which are static and regular mixed solutions of the Einstein-Euler-(complex, massive) Klein-Gordon system. In this work we study the dynamical formation via gravitational cooling of a spherical mixed white-dwarf--boson star, whose properties depend on the boson particle mass and the mass of the boson star. Due to the accretion of bosonic dark matter, the white dwarf migrates to a denser and more compact object with a boson star core, thus modifying its gravitational redshift and altering the electromagnetic radiation emitted from the photosphere. We discuss the implications of the changes in the gravitational redshift that in principle could be produced by any type of dark matter and that might lead to small discrepancies in the estimation of masses and radii derived from white dwarf observations.

研究の動機と目的

• スカラー場雲の重力的冷却を通じて、混合白色矮星-ボソン星の動的形成を調査すること。
• 超軽量ボソン的ダークマターの降着が、白色矮星の構造的および重力的性質にどのように影響を与えるかを評価すること。
• 特に重力赤方偏移と電磁放射の観点から、観測的結果の可能性を評価すること。
• 混合フェルミオン-ボソン星が観測において標準的白色矮星と同一に見えるが、質量推定値が不一致を示す可能性があるかどうかを特定すること。
• 白色矮星の質量と半径の測定値における不一致が、測定誤差ではなく、検出されないボソン星コアに起因する可能性があるかどうかを検討すること。

提案手法

• 白色矮星周囲のスカラー場雲の時間発展をモデル化するため、球対称なアインシュタイン＝オイラーー（複素、質量のある）クライン＝ゴルドン系の数値シミュレーションを実施。
• 玩具的天体物理学的モデルとして、フェルミオン的白色矮星成分を多項式状態方程式でモデル化。
• 重力的冷却機構を用いて、初期スカラー場配置から安定した混合白色矮星-ボソン星を動的に形成すること。
• 先行研究におけるフェルミオン-ボソン星のコードを用いて、最終シミュレーションデータから静的かつ平衡状態の混合星モデルを構築。
• 同じ中心静止質量密度を有する孤立白色矮星と比較して、混合星の電磁的および重力的性質を評価。
• 混合星および孤立白色矮星の光球における重力赤方偏移を計算し、観測的差異を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超軽量ボソン的ダークマターは、重力的冷却を通じて白色矮星に降着し、安定した混合白色矮星-ボソン星を形成できるか？
• RQ2 ボソン的ダークマターの降着が、白色矮星の半径方向エネルギー密度プロファイルおよびコンパクト性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 同じ中心密度を有する標準的白色矮星と比較して、混合白色矮星-ボソン星の重力赤方偏移はどの程度異なるか？
• RQ4 観測された白色矮星の質量と半径の推定値における不一致は、隠れたボソン星コアの存在によって説明できるか？
• RQ5 ボソン星コアを有する白色矮星と純粋な白色矮星との間で、観測可能な電磁的影響は何か？

主な発見

• 混合白色矮星-ボソン星は、重力的冷却を通じて動的に形成され、スカラー場雲が崩壊して白色矮星内に安定したコアを形成する。
• 中心にボソン星コアが存在することにより、白色矮星のフェルミオン的成分は密度が増し、よりコンパクトになる。これは、同じ中心密度を持つ孤立白色矮星の半径方向密度プロファイルに近づく。
• 混合星の光球における重力赤方偏移は、同じ中心密度を持つ標準的白色矮星と異なる。これはボソン星コアによる時空幾何学の変化に起因する。
• 混合星の重力赤方偏移から得られる質量推定値は、他の手法による推定値と一致しない可能性があり、白色矮星の質量決定における潜在的な不一致を引き起こす。
• 混合星と標準的白色矮星との間の重力赤方偏移の差は、現在の観測的不確実性と整合的であり、小さいと予想される。
• 結果から、検出されないボソン星コアが、白色矮星の質量と半径の測定値における小さな、説明のつかない不一致を説明する可能性があると示唆される。