[论文解读] Revisiting the Impact of Axions in the Cooling of White Dwarfs

Brenda E. Melendez, M. M. Miller Bertolami+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 5

一句话总结

本研究提出了自洽的白矮星冷却模型，包含通过轴子布雷姆斯特拉ahlung机制的轴子辐射，表明轴子冷却显著改变了白矮星的热结构，减少了中微子辐射并扭曲了光度函数。对于轴子质量 >10 meV 的情况，模型与观测的光度函数存在冲突，从而排除了此类重轴子的存在；而质量更轻的轴子（≤5 meV）则尚未被约束，需进一步的统计分析。

ABSTRACT

It has been shown that the shape of the luminosity function of white dwarfs can be a powerful tool to check for the possible existence of DFSZ-axions. In particular, Isern et al. (2008) showed that, if the axion mass is of the order of a few meV, then the white dwarf luminosity function is sensitive enough to detect their existence. For axion masses of about $m_a > 5$ meV the axion emission can be a primary cooling mechanism for the white dwarf and the feedback of the axion emission into the thermal structure of the white dwarf needs to be considered. Here we present computations of white dwarf cooling sequences that take into account the effect of axion emission in a self consistent way by means of full stellar evolution computations. Then, we study and discuss the impact of the axion emission in the white dwarf luminosity function.

研究动机与目标

• 研究 DFSZ-轴子辐射对白矮星热结构和冷却过程的自洽影响。
• 评估当轴子冷却反馈回热演化时，是否改变白矮星的光度函数。
• 确定通过观测光度函数探测轴子的质量阈值，特别是质量 ≥5 meV 的情况。
• 改进以往的微扰处理方法，通过纳入轴子辐射对核心温度和中微子辐射的反馈效应。
• 测试观测光度函数与 DFSZ-轴子在一系列质量范围内的存在是否一致。

提出的方法

• 使用 LPCODE 代码进行恒星演化计算，模拟了质量为 1–5 M☉、金属丰度 Z=0.01 的 ZAMS 恒星，经历 AGB 及其后阶段的演化。
• 通过 Nakagawa 等人（1987, 1988）的公式纳入强耦合等离子体（Γ>1）中的轴子辐射，通过 Raffelt & Weiss（1995）的公式纳入弱耦合等离子体（Γ<1）中的轴子辐射。
• 针对四种初始质量（0.524–0.877 M☉）和六种轴子质量（0, 5, 10, 15, 20, 30 meV）计算了冷却序列，并完整考虑了热结构的反馈效应。
• 采用 Iben & Laughlin（1989）的方法构建理论光度函数，结合 Salpeter 初始质量函数、Salaris 等人（2009）的初始-最终质量关系以及恒定的恒星形成率。
• 光度函数表示为 dn/dl = -∫ψ(t)(dN/dM)(∂tc/∂l)ₘ dM，其中 t_c 为依赖于轴子质量的冷却时间。
• 以 Harris 等人（2006）和 De Gennaro 等人（2008）的观测光度函数作为比较基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 当自洽处理轴子辐射时，它如何影响白矮星的热结构和冷却速率？
• RQ2 轴子辐射在多大程度上因核心温度反馈而抑制中微子辐射？
• RQ3 观测到的白矮星光度函数能否约束 DFSZ-轴子的质量？
• RQ4 对于可通过光度函数探测到的轴子质量，轴子辐射的微扰处理是否有效？
• RQ5 与当前观测光度函数一致的轴子质量上限是多少？

主要发现

• 在 mₐ = 5 meV 时，轴子辐射显著改变了白矮星的热结构，即使在低质量情况下也减少了中微子辐射。
• 引入反馈效应后，高轴子质量下中微子辐射减少，冷却时间对轴子质量的敏感性降低。
• 对于轴子质量 >10 meV 的情况，理论光度函数与观测结果显著偏离，从而排除了此类重轴子的存在。
• 以往研究（如 Isern 等人 2008）采用的等温核心近似在高光度下低估了轴子辐射，原因在于核心温度最大值并非位于中心。
• 当 mₐ > 5 meV 时，轴子辐射不能被视作微扰处理，必须进行自洽的热反馈建模。
• 观测光度函数与不存在额外冷却机制的情况一致，但对 mₐ ≤ 5 meV 的轴子是否真实存在，仍需详细统计分析才能得出明确结论。