[论文解读] Detectability of Small-Scale Dark Matter Clumps with Pulsar Timing Arrays

Kazumi Kashiyama, Masamune Oguri|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 18

一句话总结

本文提出利用脉冲星计时阵列（PTA）探测银河系内小尺度暗物质（DM）团块，通过团块经过地球或脉冲星附近时产生的瞬时加速度实现。研究发现，具备约100颗脉冲星和约10 ns计时噪声的PTA可在数十年内探测到质量范围约为10⁻¹¹至10⁻⁸ M☉的DM团块，为冷暗物质（CDM）理论提供独特检验，并对暗物质粒子物理性质施加约束。

ABSTRACT

We examine the capability of pulsar timing arrays (PTAs) to detect very small-scale clumps of dark matter (DM), which are a natural outcome of the standard cold dark matter (CDM) paradigm. A clump streaming near the Earth or a pulsar induces an impulsive acceleration to encode residuals on pulsar timing data. We show that, assuming the standard abundance of DM clumps predicted by the CDM model, small-scale DM clumps with masses from $\sim 10^{-11} M_\odot$ to $\sim 10^{-8} \ M_\odot$ can be detectable by a PTA observation for a few decades with ${\cal O}(100)$ of pulsars with a timing noise of ${\cal O}(10)$ ns located at $\gtrsim 3$ kpc away from the Galactic center, as long as these mass scales are larger than the cutoff scale of the halo mass function that is determined by the particle nature of DM. Our result suggests that PTAs can provide a unique opportunity for testing one of the most fundamental predictions of the CDM paradigm. In addition, the detections and non-detections can constrain the cutoff mass scale inherent to the DM model.

研究动机与目标

• 评估利用脉冲星计时阵列（PTA）探测银河系晕中微小尺度暗物质团块的可探测性。
• 评估标准冷暗物质（CDM）模型所预测的大量低质量DM团块是否可通过当前或近未来PTA能力进行观测检验。
• 确定在考虑真实脉冲星分布和计时噪声水平的前提下，可能在PTA中产生可测量计时残差的DM团块质量范围。
• 探讨此类团块的探测或未探测结果如何约束DM模型中的截断质量尺度，该尺度与自由程或运动解耦等粒子物理性质相关。

提出的方法

• 基于标准CDM框架，利用幂律原初谱的外推方法建模小尺度DM团块的质量函数，该方法源自大尺度观测。
• 利用牛顿引力和相对论运动学估算DM团块以有限碰撞参数经过地球或脉冲星时所引起的瞬时加速度。
• 通过将加速度对时间积分，计算由于瞬时加速度导致的脉冲星信号计时残差。
• 通过将预期信号幅度与具有约100颗脉冲星、且分布于银河系中心3 kpc以外的PTA中约O(10) ns的计时噪声水平进行比较，评估可探测性。
• 利用潮汐冲击能量与束缚能之比，评估团块在银河系势场中抵抗潮汐破坏的存活概率。
• 通过信号形态（偶极与四极、单极等）区分DM团块信号与其他瞬态信号（如引力波、原初黑洞PBH、标量场）的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲星计时阵列能否探测到标准CDM模型所预测的质量在10⁻¹¹ M☉至10⁻⁸ M☉之间的微小尺度暗物质团块？
• RQ2 PTA需要达到怎样的计时噪声水平和脉冲星分布，才能使此类团块的信噪比达到可探测水平？
• RQ3 DM团块的潮汐破坏与存活概率如何影响PTA观测中预期的事件率？
• RQ4 PTA观测能否区分DM团块飞掠与其它瞬态信号（如双黑洞引力波或标量场振荡）？
• RQ5 未探测到或探测到此类团块将如何约束DM模型中的截断质量尺度，特别是与自由程等粒子物理性质的关系？

主要发现

• 具备约100颗脉冲星和约10 ns计时噪声的PTA可在数十年内探测到质量范围约为10⁻¹¹ M☉至10⁻⁸ M☉的DM团块，前提是标准CDM丰度成立。
• 可探测质量范围受晕质量函数截断尺度的限制，该尺度由暗物质的粒子性质决定，如自由程或运动解耦。
• DM团块飞掠产生的信号具有特征性的偶极型计时残差，其持续时间和幅度与引力波信号相当，但具有独特的多极分布模式。
• 未探测到此类信号将约束DM模型中的截断质量尺度，从而为弱相互作用大质量粒子（WIMPs）等基本粒子物理性质提供探测手段。
• 该方法与微引力透镜和夏皮罗延迟搜索互补，对蓬松DM团块灵敏度较低，但对致密天体（如原初黑洞PBH）灵敏度更高。
• 即使在保守估计团块存活率的前提下，预期事件率仍可能被低估，因为潮汐破坏效应被高估，暗示实际可探测率可能高于计算值。