[论文解读] Galaxy Phase-Space Density Data Preclude that Bose-Einstein Condensate be the Total Dark Matter

H. J. de Vega, N. Sánchez|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文利用观测到的星系相空间密度和平均暗物质密度，严格约束了玻色-爱instein凝聚态（BEC）暗物质。研究表明，BEC暗物质所需的粒子质量 m ∼10−22 eV 会导致退耦时出现远超物理允许范围的超相对论自由度数量，且相空间密度远高于观测值，从而彻底排除了BEC暗物质作为全部暗物质组分的可能性。

ABSTRACT

Light scalars (as the axion) with mass m ~ 10^{-22} eV forming a Bose-Einstein condensate (BEC) exhibit a Jeans length in the kpc scale and were therefore proposed as dark matter (DM) candidates. Our treatment here is generic, independent of the particle physics model and applies to all DM BEC, in or out of equilibrium. Two observed quantities crucially constrain DM in an inescapable way: the average DM density rho_{DM} and the phase-space density Q. The observed values of rho_{DM} and Q in galaxies today constrain both the possibility to form a BEC and the DM mass m. These two constraints robustly exclude axion DM that decouples just after the QCD phase transition. Moreover, the value m ~ 10^{-22} eV can only be obtained with a number of ultrarelativistic degrees of freedom at decoupling in the trillions which is impossible for decoupling in the radiation dominated era. In addition, we find for the axion vacuum misalignment scenario that axions are produced strongly out of thermal equilibrium and that the axion mass in such scenario turns to be 17 orders of magnitude too large to reproduce the observed galactic structures. Moreover, we also consider inhomogenous gravitationally bounded BEC's supported by the bosonic quantum pressure independently of any particular particle physics scenario. For a typical size R ~ kpc and compact object masses M ~ 10^7 Msun they remarkably lead to the same particle mass m ~ 10^{-22} eV as the BEC free-streaming length. However, the phase-space density for the gravitationally bounded BEC's turns to be more than sixty orders of magnitude smaller than the galaxy observed values. We conclude that the BEC's and the axion cannot be the DM particle. However, an axion in the mili-eV scale may be a relevant source of dark energy through the zero point cosmological quantum fluctuations.

研究动机与目标

• 利用相空间密度与物质密度约束，检验玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）暗物质是否能解释观测到的星系结构。
• 评估超轻标量BEC，特别是轴子类粒子，作为全部暗物质组分的可行性。
• 评估BEC暗物质与观测星系数据（尤其是相空间密度 Q 和平均暗物质密度 ρDM）的一致性。
• 研究热平衡与非热退耦情景对BEC形成及粒子质量约束的影响。
• 确定引力束缚、有限尺寸的BEC是否能与观测到的星系相空间密度相协调。

提出的方法

• 以观测星系的平均暗物质密度 ρDM 和相空间密度 Q 作为主要约束条件。
• 应用粗粒相空间密度形式化方法，将宏观可观测量与BEC暗物质的量子统计特性关联起来。
• 分析在热平衡与非平衡退耦条件下BEC的形成，尤其适用于轴子产生机制。
• 评估为实现 m ∼10−22 eV 所需的退耦时刻超相对论自由度数量，表明其超过数万亿。
• 考虑有限尺寸（R ∼ kpc，M ∼10^7 M⊙）的非均匀引力束缚BEC，并计算其相空间密度。
• 将理论预测的BEC相空间密度与观测值进行比较，推导出排除界限。

实验结果

研究问题

• RQ1 m ∼10−22 eV 的BEC暗物质是否能与观测到的星系相空间密度和物质密度相容？
• RQ2 观测到的相空间密度对退耦时刻超相对论自由度数量施加了何种约束？
• RQ3 通过真空取向机制产生的轴子暗物质是否与观测到的星系相空间密度相容？
• RQ4 有限尺寸、引力束缚的BEC能否再现星系观测到的相空间密度？
• RQ5 BEC暗物质与观测星系结构相容的最大允许粒子质量是多少？

主要发现

• 观测到的星系相空间密度 Q 比典型尺寸 R ∼ kpc、质量 M ∼10^7 M⊙ 的引力束缚BEC所预测的值大超过六十余个数量级。
• 为实现 m ∼10−22 eV，退耦时刻所需的超相对论自由度数量超过数万亿，这在辐射主导时期在物理上不可能实现。
• 通过真空取向机制产生的轴子暗物质被排除为唯一的暗物质组分，因为其预测质量大了17个数量级。
• BEC的杰恩长度约束（∼10−22 eV）与观测到的相空间密度不相容，除非假设非物理的粒子产生条件。
• 由于理论相空间密度与观测值不一致，BEC暗物质被排除为全部暗物质组分。
• 质量在 meV 量级的轴子可能通过零点量子涨落对暗能量有贡献，尽管不作为暗物质。