[論文レビュー] Vortices and Angular Momentum in Bose-Einstein-Condensed Cold Dark Matter Halos

Tanja Rindler-Daller, Paul R. Shapiro|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2009

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）の冷たい暗黒物質（CDM）ハローにおける渦の形成を、回転するマクレイン・スフィロイドモデルを用いて調査している。BEC-CDMハローが強い自己相互作用（g > 0）を持つ場合、回転による支持力により通常は渦を形成するが、自己相互作用がほとんどない(axion-like) CDMではそうならない。これは、自己相互作用を伴うBEC-CDMモデルにおいて渦が重要な力学的特徴であることを示唆している。

ABSTRACT

If cold dark matter elementary particles form a Bose-Einstein condensate, their superfluidity may distinguish them from other forms of cold dark matter, including creation of quantum vortices. We demonstrate here that such vortices are favoured in strongly-coupled condensates, while this is not the case for axions, which are generally presumed to form a Bose-Einstein condensate but are effectively non-interacting.

研究の動機と目的

• 宇宙論的回転条件下におけるBEC暗黒物質ハローが渦を形成できるかどうかを特定すること。
• 自己重力的BECハローにおける渦形成に必要な臨界角速度を評価すること。
• 宇宙論的N体シミュレーションからの回転支持と、BEC-CDMモデルにおける渦形成の閾値を比較すること。
• 自己相互作用がほとんどない(axion-like) CDMが、銀河ハロー内で渦を形成できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 一様密度および半軸 (a, b, c) を持つ回転・自己重力的扁平なマクレイン・スフィロイドとしてBEC-CDMハローをモデル化する。
• 凝縮状態波動関数 ψ と重力ポテンシャル Φ を記述するため、グロス＝ピタエフケィ方程式をポアソン方程式と結合する。
• 回転フレームを適用して、回転エネルギーおよび渦の寄与を含む定常エネルギー関数を導出する。
• 渦なしと渦ありの状態のエネルギーを比較することで、渦形成のための臨界角速度 Ωc を導出する。
• 臨界条件を、ハロー質量密度およびサイズに依存する m/mH および g/gmin の次元なしパラメータに結びつける。
• 得られた臨界曲線を、非回転BECハローにおける重力的平衡のための (n=1)-多極的法則と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転するBEC-CDMハローにおける渦形成に必要な臨界角速度は何か？
• RQ2 BECの自己相互作用強度（g）は、渦形成の可能性にどのように影響するか？
• RQ3 自己相互作用がほぼゼロのaxion-like CDMは、銀河ハロー内で渦を形成できるか？
• RQ4 宇宙論的動機付けられた回転支持レベル（λ ≈ 0.01–0.1）は、BEC-CDMハローに渦を形成させるか？
• RQ5 渦形成の条件は、自己重力的BECハローの平衡構造と整合的か？

主な発見

• 自己相互作用がほとんどない(axion-like) CDM（g ≈ 0）では、臨界角速度 Ωc が発散するため、現実的な回転条件下では渦が形成されない。
• 強い自己相互作用を持つBEC-CDMハロー（g > 0）では、回転支持が (m/mH, g/gmin) パラメータ空間で定義される閾値を超えると、エネルギー的に渦形成が有利になる。
• 通常のミルキーウェイサイズのハロー（λ = 0.05）では、回転角速度 Ω ≈ 10−17 rad/s であり、Ω/ΩG ≈ 0.18 であるが、これは強い自己相互作用を持つBECにおける渦形成の臨界曲線以下にある。
• 非回転BECハローにおける重力的平衡のための (n=1)-多極的法則は、臨界渦形成曲線の下にあるため、大多数のBEC-CDMハローは渦形成にかかりやすい。
• モデルは、渦形成が中心密度の低下を引き起こすと予測しており、BEC-CDMハロー構造モデルにおいてこれを考慮する必要がある。
• 結果から、渦を無視した従来のBEC-CDMモデルは、特に渦が密度プロファイルを顕著に変化させるハロー内部領域において、見直しが必要であると示唆される。