[论文解读] Bosonic Dark Matter in Light of the NICER Precise Mass-Radius Measurements

Soroush Shakeri, Davood Rafiei Karkevandi|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 8

一句话总结

本文利用NICER的精确质量-半径测量，研究了中子星（NSs）中自相互作用的标量暗物质（DM）。结果表明，NS周围的DM晕与观测一致，而DM核心则使半径和质量低于观测限制；最大质量约束强烈限制了DM分数，当λ=π时，mχ ≳ 200 MeV的DM分数被限制在<4%以内，并引入脉冲轮廓作为探测DM含量的新可观测量。

ABSTRACT

We explore the presence of self-interacting bosonic dark matter (DM) within neutron stars (NSs) in light of the latest multi-messenger observations of the Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) and LIGO/Virgo detectors. The bosonic DM is distributed as a core inside the NS or as a halo around it leading to formation of a DM admixed NS. We focus on the variation of the visible and dark radius of the mixed object due to DM model parameters and fractions. It is shown that DM core formation reduces the visible radius and the total mass pushing them below observational limits while halo formation is in favor of the latest mass-radius observations. Moreover, we scan over the parameter space of the bosonic DM model considering two nuclear matter equation of states by applying the radius, maximum mass and tidal deformability constraints. Our investigation allows for the exclusion of a range of DM fractions, self-coupling constant and sub-GeV boson masses, which limits the amount of accumulated DM to relatively low values to be consistent with astrophysical bounds. In this paper, we introduce main features of the pulse profile corresponding to the DM admixed NS as a novel observable quantity. We find that the depth of minimum fluxes in the pulse profiles crucially depends on the amount of DM around NS and its compactness. The current/future astrophysics missions may test the possibility of the existence of DM within NSs and break the degeneracies between different scenarios via multiple observations.

研究动机与目标

• 评估自相互作用标量暗物质与近期NICER对中子星质量-半径测量的兼容性。
• 确定暗物质在中子星内部是否形成核心或晕，以及这如何影响质量与半径等可观测量。
• 利用质量、半径和潮汐变形性等多信使联合限制，约束标量DM模型的参数空间。
• 提出并分析DM混合中子星的脉冲轮廓，作为区分DM情景的新观测特征。

提出的方法

• 采用相对论平均场方法和标量自相互作用势，对含自相互作用标量暗物质的中子星进行建模。
• 通过数值求解Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程，计算不同DM分数和耦合强度下DM混合中子星的质量-半径关系。
• 应用来自NICER（PSR J0740+6620和PSR J0030+0451）、LIGO/Virgo/KAGRA（潮汐变形性）以及2.17 M☉最大质量限制的观测约束。
• 模拟DM混合中子星的脉冲轮廓，以识别DM含量和星体紧凑度对通量调制深度的影响。
• 扫描DM参数（质量mχ、自耦合常数λ和分数）以识别与多信使数据一致的允许区域。
• 运用贝叶斯分析原理，评估不同强子物质方程状态下的模型敏感性与鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 自相互作用标量暗物质是否能在中子星内部形成稳定构型，且与NICER的精确质量-半径测量一致？
• RQ2 在中子星周围形成DM核心或DM晕，哪种构型更符合当前对质量与半径的观测限制？
• RQ3 最大质量与半径限制如何联合约束中子星中标量暗物质的分数与性质？
• RQ4 中子星的脉冲轮廓在多大程度上可作为探测其附近暗物质的诊断工具？
• RQ5 这些约束对GW190814次星等奇异致密天体中暗物质存在的可能性有何影响？

主要发现

• DM核心的形成会减小中子星的可见半径和总质量，使其低于NICER及其他多信使数据的观测限制。
• 相比之下，DM晕的形成与最新的NICER质量-半径观测一致，尤其适用于PSR J0740+6620和PSR J0030+0451。
• 最大质量限制比半径限制提供更严格的约束，对亚GeV玻色子排除了较大的暗物质分数。
• 对于mχ ≳ 200 MeV且强耦合（λ = π）的情况，累积的暗物质分数被限制在小于∼4%。
• 轻量玻色子（mχ ≤ 105 MeV）在任何DM分数下均与最大质量和半径限制一致，但当引入潮汐变形性时，约束会更紧。
• 脉冲轮廓中最小通量深度对DM含量和星体紧凑度极为敏感，使其成为探测中子星中DM的新型可观测量。