[论文解读] Micro-Bose/Proca dark matter stars from black hole superradiance

John March-Russell, João G. Rosa|arXiv (Cornell University)|May 30, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文提出，质量为TeV量级的重色规范玻色子暗物质（自旋-0或自旋-1）可通过原始黑洞（PBHs）在约10^6 kg质量、低初始自旋条件下发生自旋辐射过程产生。该过程形成密度高、引力束缚的微小玻色子/普罗卡星（micro-Bose/Proca stars），质量约10 kg，尺寸小于1 pm，其在PBH蒸发后仍能长期存在，并可构成高达50%的暗物质密度，提供一种新型、可能被探测到的暗物质候选者，具有相干相互作用特征。

ABSTRACT

We study the production of heavy, $μ\gtrsim 1$ TeV, bosonic spin $s=0,1$ dark matter (DM) via the simultaneous processes of Hawking evaporation and superradiance (SR) from an initial population of small, $\lesssim 10^6$ kg, primordial black holes (PBHs). Even for small initial PBH spins the SR process can produce extremely dense gravitationally-bound DM Bose or Proca soliton "stars" of radius $\lesssim { m pm}$ and mass $\sim 10^{ m few}$ kg that can survive to today, well after PBH decay. These solitons can constitute a significant fraction of the DM density, rising to $\gtrsim 50\%$ in the vector DM case.

研究动机与目标

• 探索通过原始黑洞（PBHs）自旋辐射产生重、引力相互作用暗物质的新型机制。
• 研究自旋辐射是否能从质量约10^6 kg、自旋较低的PBHs中生成致密、长寿命的暗物质孤子态（微恒星）。
• 评估此类孤子态作为可观测暗物质密度显著部分的可行性。
• 研究自旋辐射形成的云团在PBH蒸发后能否存活并形成稳定、自引力束缚的孤子态的条件。
• 评估此类孤子态的物理现象学意义，特别是其通过与标准模型（SM）粒子发生微弱非引力相互作用实现相干探测的潜力。

提出的方法

• 使用量子数（n, j, ℓ, m）的准束缚态解，对克尔黑洞的标量（s=0）和矢量（s=1）玻色子自旋辐射（SR）进行建模。
• 利用增长率公式 Γs ≈ (1/24)(ã - 4α)α⁸μ（s=0）和 ≈ 4(ã - 4α)α⁶μ（s=1）量化自旋辐射效率，其中 α = μM/M_P²。
• 通过霍金蒸发（HE）和自旋辐射同步追踪PBH质量与自旋演化，使用 dM/dt = -e_T M_P⁴/M² - μΓ_s N 和 dJ/dt = -Γ_s N J。
• 通过比较PBH在ξ ≈ 1（非绝热HE开始）时的质量与自结合临界质量 M_c，评估云团在PBH衰变后的存活能力，使用 M_*/M_c ≈ 0.44/ε_SR (ΔJ₀/J₀)^{-1} (0.05/ã₀)(0.003/α)^{8/5} (10⁶ kg/M₀)^{2/5}（s=0）。
• 通过非相对论性Ruffini-Bonazzola孤子解估算最终微恒星的性质：R_BS ≈ 5.5/(ε_SR f_BS) (0.003/α₀)^3 (0.05/ã₀) (M₀/10⁶ kg) (ΔJ/J₀)^{-1} pm 和 M_BS ≈ 150 ε_SR f_BS (α₀/0.003) (ã₀/0.05) (M₀/10⁶ kg) (ΔJ/J₀) kg。
• 通过通量估计 Φ ≈ 5×10⁻⁴ f_SR f_BS (10 kg / M_BS) km⁻² yr⁻¹ 评估可探测性，并评估与SM核子的截面中相干增强的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋较低、质量约10^6 kg的原始黑洞能否通过自旋辐射产生可观测暗物质密度中显著比例的重（TeV量级）玻色子暗物质？
• RQ2 在何种条件下，自旋辐射云团能存活中心黑洞的霍金蒸发，形成稳定、自引力束缚的微小玻色子/普罗卡星？
• RQ3 所形成的微恒星的典型质量、尺寸和自旋特性为何？其如何依赖于初始PBH参数（如质量、自旋及角动量损失）？
• RQ4 即使暗物质仅通过弱相互作用与标准模型耦合，这些微恒星在散射截面中是否可通过相干增强实现可观测？
• RQ5 最终孤子质量与存活概率如何依赖于初始PBH自旋及自旋辐射效率？

主要发现

• 质量约10^6 kg、初始自旋较低的PBH通过自旋辐射可产生质量约10 kg、半径约1 pm的微小玻色子/普罗卡星，其在PBH蒸发后仍能长期存在。
• 在矢量（s=1）情况下，最终微恒星可构成总暗物质密度的高达约50%，具体取决于初始PBH参数。
• 在参数空间的显著区域，特别是对于更重的PBHs，由于初始与最终束缚态波函数重叠较大，自旋辐射云团能存活PBH衰变，即使α和ã₀较小，M_*/M_c ≲ 1 仍可能实现。
• 在矢量情况下，所形成的微恒星为最大自旋极化，|J_PS| ≈ N ≈ M_PS / μ。
• 此类微恒星的局部通量估计为 Φ ≈ 5×10⁻⁴ f_SR f_BS (10 kg / M_BS) km⁻² yr⁻¹，可通过相干散射信号实现潜在探测。
• 即使仅通过引力相互作用，孤子中粒子数巨大（N ~ 10²⁵）仍可导致与SM核子的截面出现可观测的相干增强，提供可探测信号。