[论文解读] Limits on the flux of nuclearites and other heavy compact objects from the "Pi of the Sky" project

L. W. Piotrowski, K. Małek+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 30被引用 24

一句话总结

本研究利用Pi of the Sky机器人望远镜网络的视觉数据，为核子态（nuclearites）及其他重质致密天体（100 g–100 kg）设定了迄今为止最严格的通量极限。通过分析高能高速致密物体穿越大气层时在天空图像中留下的发光轨迹，实验得出了各向同性通量极限为$5.4\cdot10^{-20}$至$2.2\cdot10^{-21}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}\mathrm{sr}^{-1}$，定向通量极限为$1.5\cdot10^{-18}$至$2.1\cdot10^{-19}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}$，从而对暗物质及奇异致密天体模型提供了有力约束。

ABSTRACT

Many theories predict the existence of very heavy compact objects, that in terms of sizes would belong to the realms of nuclear or atomic physics, but in terms of masses could extend to the macroscopic world, reaching kilograms, tonnes or more. If they exist, it is likely that they reach our planet with high speeds and cross the atmosphere. Due to their high mass to size ratio and huge energy, in many cases, they would leave behind a trail in the form of sound and seismic waves, etches, or light in transparent media. Here we show results of a search for such objects in visual photographs of the sky taken by the "Pi of the Sky" experiment, illustrated with the most stringent limits on the isotropic flux of incoming so-called nuclearites, spanning between $5.4\\cdot10^{-20}$ and $2.2\\cdot10^{-21}\\ \\mathrm{cm}^{-2} \\mathrm{s}^{-1} \\mathrm{sr}^{-1}$ for masses between 100 g and 100 kg. In addition we establish a directional flux limit under an assumption of static "sea" of nuclearites in the Galaxy, which spans between $1.5\\cdot10^{-18}$ and $2.1\\cdot10^{-19}\\ \\mathrm{cm}^{-2} \\mathrm{s}^{-1}$ in the same mass range. The general nature of the limits presented should allow one to constrain many specific models predicting the existence of heavy compact objects and both particle physics and astrophysical processes leading to their creation, and their sources.

研究动机与目标

• 利用光学天区巡天数据，约束假设性重质致密天体（如核子态、Q-球和磁单极子）的通量。
• 检验此类天体若存在，会因高速穿越大气层导致能量沉积而产生可见发光轨迹的假设。
• 为100 g–100 kg质量范围内的这些天体建立各向同性和定向通量的稳健上限。
• 为未来在天体物理和早期宇宙情景下暗物质及奇异粒子生成的模型提供基准参考。
• 评估宽视场机器人望远镜对这类天体的可探测性，并评估现有观测数据的灵敏度。

提出的方法

• 利用Pi of the Sky机器人望远镜网络，该系统通过16台相机覆盖约2 sr的天空区域，获取大视场、高时间分辨率的天空图像。
• 在视觉数据中搜索呈线性、亮度恒定的轨迹，以识别高速、大质量天体穿越大气层的迹象。
• 基于质量、速度及与大气密度的相互作用，模拟假设性核子态及其他类似天体的发光特性。
• 根据模拟轨迹和实际图像特征，应用探测效率修正，重点关注100 g–100 kg质量范围。
• 通过将检测到的候选事件数归一化至总观测时间和天空面积，计算各向同性通量极限。
• 在假设银河系暗物质海静止的前提下，利用观测事件率和几何曝光量，推导出定向通量极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Pi of the Sky数据中未检测到可见发光轨迹的前提下，核子态及其他重质致密天体的最大通量是多少？
• RQ2 100 g–100 kg天体的各向同性与定向通量极限与标准晕模型等暗物质理论预测相比如何？
• RQ3 通过优化亮度分析与模拟精度，此类天体的探测效率可提升多少？
• RQ4 通量极限如何随天体质量变化，特别是在发光强度达到探测器饱和阈值附近时？
• RQ5 观测数据能否对具有更高相互作用截面（如磁化核子态）的特定奇异致密天体模型提供约束？

主要发现

• 在100 g–100 kg质量范围内，核子态的各向同性通量极限为$5.4\cdot10^{-20}$至$2.2\cdot10^{-21}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}\mathrm{sr}^{-1}$，为该质量范围内迄今最严格的约束。
• 在假设银河系暗物质海静止的前提下，同一质量范围内的定向通量极限为$1.5\cdot10^{-18}$至$2.1\cdot10^{-19}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}$。
• 在所研究的质量范围内，这些极限对探测效率不确定性的依赖性较低，主要受限于实验的视场和观测时间。
• 对于向上穿行的天体，质量≥1 kg时，各向同性极限可降低约两倍，因穿过地球的能量损失可忽略不计。
• 研究结果为约束暗物质和奇异致密天体模型提供了坚实基础，尤其适用于具有更高相互作用截面（如磁化核子态）的模型。
• 本研究证明，使用宽视场机器人望远镜进行光学巡天，是探测高质质量、低截面致密天体的可行且高灵敏度的方法。