[论文解读] Constraining bosonic asymmetric dark matter with neutron star mass-radius measurements

Nathan Rutherford, G. Raaijmakers+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文利用贝叶斯推断，通过X射线望远镜获得的质量-半径测量数据，约束中子星中的自旋为0的非对称暗物质（ADM）。研究发现，当前核物质方程的不确定性使得无法对ADM参数空间做出明确约束，但高ADM粒子质量与低自相互作用强度的参数区域因观测到的1 Mₐ最小中子星质量而被排除；而ADM的质量分数仍可被测量。

ABSTRACT

Neutron stars can accumulate asymmetric dark matter (ADM) in their interiors, which affects the neutron star's measurable properties and makes compact objects prime targets to search for ADM. In this work, we use Bayesian inference to explore potential neutron star mass-radius measurements, from current and future x-ray telescopes, to constrain the bosonic ADM parameters for the case where bosonic ADM has accumulated in the neutron star interior. We find that the current uncertainties in the baryonic equation of state do not allow for constraints on the ADM parameter space to be made. However, we also find that ADM cannot be excluded and the inclusion of bosonic ADM in neutron star cores relaxes the constraints on the baryonic equation of state space. If the baryonic equation of state were more tightly constrained independent of ADM, we find that statements about the ADM parameter space could be made. In particular, we find that the high bosonic ADM particle mass ($m_χ$) and low effective self-interaction strength ($g_χ/m_ϕ)$ regime is disfavored due to the observationally and theoretically motivated constraint that neutron stars must have at least a mass of $1 \, \mathrm{M_\odot}$. However, within the remaining parameter space, $m_χ$ and $g_χ/m_ϕ$ are individually unconstrained. On the other hand, the ADM mass-fraction, i.e., the fraction of ADM mass inside the neutron star, can be constrained by such neutron star measurements.

研究动机与目标

• 研究当前及未来的X射线望远镜质量-半径测量是否能够约束中子星中玻色子非对称暗物质（ADM）的参数空间。
• 评估ADM对中子星结构的影响，特别是对质量与半径的影响。
• 确定ADM参数——粒子质量 $m_\chi$、自相互作用强度 $g_\chi/m_\phi$ 以及质量分数——在多大程度上可被中子星观测所约束。
• 探讨ADM如何影响核物质方程的态（EoS），并检验是否在引入ADM后可放松对核物质方程的约束。

提出的方法

• 使用贝叶斯推断分析当前及未来X射线望远镜可能获得的质量-半径测量数据。
• 将玻色子ADM建模为带有自相互作用项和与向量场耦合的标量场，并假设为平均场近似。
• 应用应力-能量张量形式化方法推导ADM的方程，其中能量密度 $\epsilon_\chi = m_\chi c^2 n_\chi + \frac{1}{2} \frac{g_\chi^2}{m_\phi^2} \frac{\hbar^3}{c} n_\chi^2$，压强 $p_\chi = \frac{1}{2} \frac{g_\chi^2}{m_\phi^2} \frac{\hbar^3}{c} n_\chi^2$。
• 假设为平直时空，并采用球对称、静态的标量场解，形式为 $\chi(r,t) = (A e^{ikr} + B e^{-ikr}) e^{-i\omega t}$，并令 $k=0$ 以对应基态。
• 从场方程推导出关系式 $\phi_0 = \frac{g_\chi}{m_\phi^2} n_\chi$，将标量场与ADM数密度联系起来。
• 比较含ADM核心与不含ADM核心的中子星模型，计算质量与半径的百分比变化，以 $2.3\,\mathrm{M}_{\odot}$ 的核物质星为基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前及未来的X射线质量-半径测量能否约束中子星中玻色子非对称暗物质的参数空间？
• RQ2 ADM的存在如何影响中子星的质量与半径？这些变化是否可被探测到？
• RQ3 在ADM参数空间中，特别是 $m_\chi$ 与 $g_\chi/m_\phi$ 的哪些区域，因中子星必须具有至少 $1\,\mathrm{M}_\odot$ 的质量而被排除？
• RQ4 在多大程度上，引入ADM可放松对核物质方程的态（EoS）的约束？
• RQ5 中子星内部的ADM质量分数能否通过质量-半径测量得到约束？

主要发现

• 当前核物质方程的不确定性使得无法对玻色子ADM的参数空间施加有意义的约束。
• 高 $m_\chi$ 与低 $g_\chi/m_\phi$ 的参数区域因中子星必须具有至少 $1\,\mathrm{M}_\odot$ 的质量而被排除。
• 在剩余的参数空间中，$m_\chi$ 与 $g_\chi/m_\phi$ 均无法被当前数据单独约束。
• 在中子星核心中引入玻色子ADM可放松对核物质方程的态（EoS）空间的约束。
• ADM质量分数——即中子星内部ADM质量所占比例——可被未来的质量-半径测量所约束。
• 对于一个 $2.3\,\mathrm{M}_\odot$ 的核物质中子星，若其ADM质量分数为 $7\%$，则由于ADM核心的存在，半径减少 $6\%$，引力质量减少 $9\%$。