[论文解读] Dark matter transport properties and rapidly rotating neutron stars

C. J. Horowitz|arXiv (Cornell University)|May 16, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本文提出，中子星中的弱相互作用大质量粒子（WIMPs）由于其长平均自由程，可显著增强剪切黏度，从而可能稳定r模振荡，并使快速旋转的中子星——如毫秒脉冲星——的自转速度超过当前模型的预测。这种稳定化需要WIMP-核子截面接近当前实验极限，并且星体核心或星壳中存在足够的WIMP密度。

ABSTRACT

Neutron stars are attractive places to look for dark matter because their high densities allow repeated interactions. Weakly interacting massive particles (WIMPs) may scatter efficiently in the core or in the crust of a neutron star. In this paper we focus on WIMP contributions to transport properties, such as shear viscosity or thermal conductivity, because these can be greatly enhanced by long mean free paths. We speculate that WIMPs increase the shear viscosity of neutron star matter and help stabilize r-mode oscillations. These are collective oscillations where the restoring force is the Coriolis force. At present r-modes are thought to be unstable in many observed rapidly rotating stars. If WIMPs stabilize the r-modes, this would allow neutron stars to spin rapidly. This likely requires WIMP-nucleon cross sections near present experimental limits and an appropriate density of WIMPs in neutron stars.

研究动机与目标

• 研究中子星中的WIMPs是否能显著改变输运性质（如剪切黏度和热导率）；
• 确定增强的WIMP诱导剪切黏度是否足以稳定快速旋转中子星中的r模振荡；
• 评估对中子星动力学产生可观测效应所需的WIMP-核子截面和密度；
• 探讨WIMP输运在星壳冷却和热演化中的作用，特别是在磁化中子星中的影响；
• 通过间接天体物理信号，将可观测的中子星自转速率与暗物质性质约束相联系。

提出的方法

• 利用σWn和核子密度nn建模WIMP平均自由程λW，假设λW ≈ 10 km以实现相关输运效应；
• 基于输运的动理论，推导出WIMP对剪切黏度的贡献ηW ∝ λW²nW，由于λW较长而产生显著增强；
• 在中子星内壳中使用有效截面σ₀⟨A⟩评估WIMP与原子核的相干散射，包含形式因子F(q)和静态结构因子SA(q)；
• 估算光学深度τ ≈ Δr σ₀⟨A⟩⟨n⟩⟨A̅⟩，以评估WIMP在星壳中的捕获和散射概率；
• 应用弛豫时间近似，模拟r模振荡中频率相关的黏度效应；
• 推测在磁化环境中（热输运原本被抑制）WIMP对热导率的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星中的WIMPs是否因其长平均自由程而能显著提高剪切黏度？
• RQ2 WIMP诱导的剪切黏度是否足以稳定快速旋转中子星中的r模振荡？
• RQ3 为实现可观测的黏度增强，所需的WIMP-核子截面是多少？是否与当前实验极限一致？
• RQ4 内壳中WIMP与原子核的相干散射及屏蔽效应如何影响WIMP输运与捕获？
• RQ5 WIMP对热导率的贡献能否解释星壳快速冷却，或影响磁化中子星的表面温度各向异性？

主要发现

• 平均自由程约为10 km的WIMP要求WIMP-核子截面为σWn ≈ 3×10⁻⁴⁵ cm²，接近CDMS和XENON 100的当前实验极限；
• 由于平均自由程较长，WIMPs可使剪切黏度增强数个数量级，可能稳定快速旋转中子星中的r模振荡；
• 在内壳中，WIMP与原子核的相干散射可产生有效截面σ₀⟨A⟩，当动量转移包含q* ≈ 0.3 fm⁻¹时，⟨A⟩ ≈ A/2；
• 光学深度τ ≈ Δr σ₀⟨A⟩⟨n⟩⟨A̅⟩表明，若σ₀⟨A⟩足够大且密度约为0.05 fm⁻³，WIMPs可在内壳中被捕获；
• WIMP对热导率的贡献可能影响星壳冷却，并减少磁化中子星的表面温度各向异性；
• 观测证据（如银心716 Hz脉冲星）可能支持该假设：古老或处于高暗物质密度区域的中子星，其r模通过WIMP黏度实现稳定。