[论文解读] More Axion Stars from Strings

Marco Gorghetto, Edward Hardy+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文表明，在暴胀后QCD轴子场景中，由于量子压强和自相互作用，超过10%的暗物质在物质-辐射相等时坍缩成轴子星，形成质量达小行星尺度、大小达地月距离的束缚态结构。这些轴子星——此前被认为极为稀少——实际上构成了暗物质的显著部分，且可能至今仍存在，显著改变现象学和实验探测策略。

ABSTRACT

We show that if dark matter consists of QCD axions in the post-inflationary scenario more than ten percent of it efficiently collapses into Bose stars at matter-radiation equality. Such a result is mostly independent of the present uncertainties on the axion mass. This large population of solitons, with asteroid masses and Earth-Moon distance sizes, might plausibly survive until today, with potentially interesting implications for phenomenology and experimental searches.

研究动机与目标

• 研究在暴胀后QCD轴子场景中，特别是在物质-辐射相等附近轴子星的形成机制。
• 确定量子压强和自相互作用在塑造轴子能量谱并促进轴子高密度区坍缩成束缚态中的作用。
• 评估在不同初始条件和轴子衰变常数下，轴子星的鲁棒性及其最终丰度。
• 挑战传统观点认为轴子星仅通过团块内缓慢弛豫形成，表明其实际为快速且大量形成。

提出的方法

• 对轴子场演化进行完整数值模拟，涵盖轴子弦墙网络衰变、QCD交叉点及物质-辐射相等阶段。
• 采用非相对论有效场论描述轴子，以模拟自相互作用和量子压强效应。
• 通过识别场构型中引力束缚、相干的高密度峰值来追踪轴子星的形成与演化。
• 利用共动功率谱和量子热力稳定尺度分析，表征初始非均匀性谱。
• 通过轴子星质量函数和数密度的统计分析，量化形成效率。
• 通过分辨率扫描和替代初始功率谱测试系统性不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在暴胀后轴子场景中，物质-辐射相等时，有多少比例的暗物质坍缩成轴子星？
• RQ2 自相互作用和量子压强如何影响轴子高密度区向束缚态的坍缩？
• RQ3 为何以往的N体模拟未能捕捉到轴子星的形成？波行为如何改变结果？
• RQ4 轴子星种群对初始条件和轴子衰变常数的变化有多大的鲁棒性？
• RQ5 在物质-辐射相等时形成的轴子星能否存活至今，并显著贡献于暗物质密度？

主要发现

• 在物质-辐射相等时，超过10%的暗物质坍缩成轴子星，部分模拟中该比例可达五分之一。
• 由于量子压强和自相互作用，轴子星快速且大量形成，而非通过缓慢弛豫，挑战了以往假设。
• 最终的轴子星质量函数以大质量星体（小行星尺度）为主，但小尺度上仍持续形成低质量星体。
• 每单位共动量子热力稳定体积的轴子星数密度持续增加，模拟中未见饱和迹象。
• 当初始扰动波数满足 kδ/kJ|MRE ≲1 时，典型轴子星质量小于简单估算值，表明中心集中不完全。
• 结果在轴子衰变常数范围 10^10–10^11 GeV 内具有鲁棒性，且形成过程独立于当前轴子质量的不确定性。