[论文解读] Optical Lensing by Axion Stars: Observational Prospects with Radio Astrometry

Anirudh Prabhu|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 78被引用 6

一句话总结

本文提出一种新颖的观测方法，通过轴子-光子耦合引起的独特光学透镜效应，探测轴子星——一种致密且亚稳定的轴子束缚态——其在射电波段的表现。利用平方公里阵列（SKA）的高精度射电天体测量，研究表明质量范围为 $[10^{-14}, 10^{-11}]M_\bigodot$ 的振荡子可引起背景射电源的频率依赖性位置偏移，从而首次在目前尚未被约束的质量窗口中实现对这类致密暗物质天体的潜在探测。

ABSTRACT

Axions and axion-like particles (ALPs) are some of the best-motivated dark matter (DM) candidates. Under certain circumstances, large axion fluctuations in the early universe can collapse to form dense configurations called axion clumps. The densest axion clumps are metastable states known as oscillons. In this paper we propose a new class of observables that exploit the axion's coupling to photons. As a result of this coupling an axion clump acts like an inhomogeneous refractive optical medium -- a lens -- that causes anomalous dispersion of incident electromagnetic waves. The dispersion of electromagnetic waves by axion clumps clearly distinguishes this lensing effect from gravitational lensing. Axion clumps passing in front of background radio sources act as lenses and lead to apparent positional shifts that can potentially be discovered by high-precision radio astrometry missions with the forthcoming Square Kilometer Array (SKA). We discuss the sensitivity of SKA to lensing effects in a variety of axion halo models. While gravitational microlensing surveys have placed strong constraints on the amount of DM that exists in the form of non-luminous astrophysical objects they have been unable to do so for objects in the mass range $[10^{-14}, 10^{-11}] M_\odot$. We find that, over a wide range of parameter space, SKA will be sensitive to optical lensing by oscillons in the mass range that is currently unconstrained by microlensing surveys.

研究动机与目标

• 利用电磁波的色散透镜效应，识别轴子星的新一类可观测量。
• 克服引力微透镜在探测质量介于 $10^{-14}M_\odot$ 到 $10^{-11}M_\odot$ 的致密暗物质天体时的局限性。
• 证明平方公里阵列（SKA）的高精度射电天体测量可探测由轴子星透镜效应引起的异常位置偏移。
• 通过其频率依赖的色散特性，将轴子透镜效应与引力透镜效应区分开来。
• 评估SKA在广泛轴子参数空间中对振荡子和孤子的探测灵敏度。

提出的方法

• 将轴子团块建模为由于轴子-光子耦合而产生的非均匀折射介质，导致电磁波产生异常色散。
• 计算射电波的偏转角作为频率、能量以及轴子团块参数（如中心密度和质量）的函数。
• 利用轴子-光子耦合强度 $g_{a\gamma\gamma} = \alpha / f_a$ 和轴子衰变常数 $f_a$ 确定透镜截面和信号振幅。
• 模拟背景射电源因透镜效应产生的表观位置偏移，假设天空源密度为 $\Sigma_0 = 10^7$ rad$^{-2}$。
• 基于任务参数估算SKA的灵敏度：5年观测时间、1天观测周期、$10\mu$as角分辨率，以及透镜速度 $v_\ell = 10^{-3}c$。
• 将预测的探测阈值与现有微透镜、飞透镜和白矮星加热的约束进行比较，以识别尚未探索的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴子星是否能通过轴子-光子耦合在背景射电源的表观位置上产生可探测的频率依赖性偏移？
• RQ2 在天体测量中，轴子星的光学透镜效应是否可与引力透镜效应区分开来？
• RQ3 平方公里阵列（SKA）对质量范围为 $10^{-14}M_\odot$ 到 $10^{-11}M_\odot$ 的振荡子光学透镜效应的灵敏度如何？
• RQ4 该方法是否可在引力微透镜无效的区域对轴子-光子耦合和轴子质量施加新约束？
• RQ5 在何种条件下振荡子会产生可观测的透镜信号？其依赖关系如何与 $f_a$、$\phi_c$ 和 $g_{a\gamma\gamma}$ 相关？

主要发现

• SKA对质量范围 $[10^{-14}, 10^{-11}]M_\odot$ 内的振荡子光学透镜效应具有探测灵敏度，该质量区间此前未被引力微透镜调查所覆盖。
• 当 $f_a = 10^{13}$ GeV 和 $f_a = 10^{14}$ GeV 时，SKA可探测到中心轴子密度 $\phi_c = 5f_a$ 且耦合强度 $g_{a\gamma\gamma} = \alpha / f_a$ 的振荡子。
• 该方法可探测背景射电源的频率依赖性位置偏移，有效角分辨率可达 $10\mu$as，从而可与引力透镜效应区分开来。
• SKA单脉冲搜寻中未发现脉冲信号，可对质量范围 $10^{-9}$ eV $\lesssim m_a \lesssim 10^{-4}$ eV 内的轴子-光子耦合施加约束。
• 对具有高中心振幅和增强轴子-光子耦合的振荡子探测灵敏度最强，尤其在势能平坦、振荡子寿命较长的模型中。
• 当轴子星靠近其他大质量天体的临界曲线时，其光学透镜效应可能产生多重像并导致显著放大，从而提供额外的探测途径。