[论文解读] Limits on Stellar Objects as the Dark Matter of Our Halo: Nonbaryonic Dark Matter Seems to be Required

Katherine Freese, Brian D. Fields+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 1999

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文认为，恒星天体——如暗淡恒星、棕矮星、白矮星和中子星——无法解释银河系暗物质晕的质量。利用观测约束和理论极限，作者表明，这类重子物质天体对银河系质量的贡献至多为百分之几，其中仅白矮星的贡献就被限制在 Ω_WD ≤ 3 × 10⁻³ h⁻¹；这强烈表明，必须存在非重子暗物质，才能解释晕的质量预算。

ABSTRACT

The nature of the dark matter in the Halo of our Galaxy remains a mystery. Arguments are presented that the dark matter does not consist of ordinary stellar or substellar objects, i.e., the dark matter is not made of faint stars, brown dwarfs, white dwarfs, or neutron stars. In fact, faint stars and brown dwarfs constitute no more than a few percent of the mass of our Galaxy, and stellar remnants must satisfy $Ω_{WD} \leq 3 imes 10^{-3} h^{-1}$, where $h$ is the Hubble constant in units of 100 km/s Mpc^{-1}. On theoretical grounds one is then pushed to more exotic explanations. Indeed a nonbaryonic component in the Halo seems to be required.

研究动机与目标

• 评估恒星或亚恒星天体是否可能构成银河系晕中的暗物质。
• 约束重子天体（如棕矮星、白矮星和中子星）对晕质量密度的最大可能贡献。
• 评估对银河晕中暗淡恒星和恒星残余物丰度的观测与理论限制。
• 确定仅由重子物质是否足以解释观测到的暗物质密度，或是否需要非重子组分。

提出的方法

• 分析微引力透镜巡天数据，以估算银河晕中暗淡恒星和棕矮星的数密度。
• 应用关于白矮星形成与冷却的理论限制，以限定其总质量贡献。
• 使用哈勃常数 h 来归一化质量密度参数 Ω_WD，从而设定白矮星质量分数的上限。
• 将观测到的晕质量光度比与重子恒星族群的预测进行比较，以排除暗淡恒星的显著贡献。
• 引入大爆炸核合成（BBN）约束，以限制宇宙中总重子质量密度。
• 综合所有约束条件，推导出对晕质量预算中重子总贡献的严格上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗淡恒星和棕矮星能否解释银河系暗物质晕质量的显著部分？
• RQ2 白矮星对晕中暗物质质量预算的最大可能质量贡献是多少？
• RQ3 观测微引力透镜巡天与理论模型是否允许以重子物质解释晕的缺失质量？
• RQ4 在大爆炸核合成约束下，观测到的暗物质密度是否与重子起源一致？
• RQ5 所有重子天体约束的综合是否必然要求存在非重子暗物质组分？

主要发现

• 暗淡恒星和棕矮星对银河系总质量的贡献不超过百分之几。
• 晕中白矮星的质量密度被限制在 Ω_WD ≤ 3 × 10⁻³ h⁻¹，其中 h 为以 100 km/s/Mpc 为单位的哈勃常数。
• 所有重子恒星残余物（白矮星、中子星、棕矮星等）的联合贡献不足以解释观测到的暗物质密度。
• 微引力透镜、大爆炸核合成（BBN）以及晕质量光度比的理论与观测约束共同排除了重子天体作为主导暗物质组分的可能性。
• 结果强烈表明，必须存在非重子暗物质，才能解释星系晕的质量预算。