[论文解读] Solar System Dark Matter

Stephen L. Adler|ArXiv.org|Mar 27, 2009

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

一句话总结

本文研究了地球及行星束缚态暗物质的可能性，提出此类暗物质或可解释航天器飞越过程中的异常速度变化。利用LAGEOS、月球轨道器及月球激光测距的轨道跟踪数据，作者推导出地球束缚态暗物质质量的严格上限，表明其密度可能高达约~6×10¹⁰ GeV/c²cm³，并通过暗物质粒子与航天器核子之间的弹性与非弹性散射，探讨其在飞越异常现象中的潜在作用。

ABSTRACT

I review constraints on solar system-bound dark matter, and discuss the possibility that dark matter could be gravitationally bound to the earth and other planets. I briefly survey various empirical constraints on such planet-bound dark matter, and discuss effects it could produce if present, including anomalous planetary heating and flyby velocity changes.

研究动机与目标

• 评估引力束缚于地球及其他行星的暗物质的可行性。
• 利用精确的卫星与月球跟踪数据，推导地球束缚态暗物质的观测约束。
• 探究暗物质散射是否可解释行星飞越中未明确定义的速度变化。
• 建立可能对航天器轨道产生可观测影响的暗物质分布与散射动力学模型。

提出的方法

• 利用LAGEOS卫星跟踪与月球激光测距，测量联合引力参数GM_combined，从而分离出地球束缚态暗物质的贡献。
• 应用关系式GM_dm ≈ GM_combined - GM_⊕ - GM_⊕/R_⊕/m，对地月之间暗物质质量进行约束。
• 将暗物质建模为位于半径r处、相对于地球自转轴夹角为χ的截断球壳，每个点具有两个速度分量。
• 计算弹性与非弹性散射过程中，暗物质粒子与航天器核子之间的截面平均速度变化。
• 对航天器轨道积分功增量，以计算净能量与速度变化。
• 在暗物质质量、截面与轨道构型的参数空间中进行搜索，以拟合飞越异常数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用当前轨道跟踪数据，可对引力束缚于地球的暗物质质量施加何种上限？
• RQ2 地球束缚态暗物质是否可解释航天器飞越中观测到的异常速度变化？
• RQ3 暗物质需具备何种性质，才能通过与航天器核子的散射，导致飞越中出现速度降低与增加？
• RQ4 球壳状分布的暗物质在轨道动力学与速度分布下，如何影响对航天器的净动量转移？
• RQ5 具有弹性与非弹性散射的双组分暗物质模型，能否重现观测到的飞越异常？

主要发现

• 地球束缚态暗物质质量的上限为GM_dm ≈ (0.3 ± 4) × 10⁻⁹ GM_⊕，若均匀分布，则最大密度约为~6×10¹⁰ GeV/c²cm³。
• 该推导出的上限远高于银河系晕暗物质密度，也高于太阳束缚态暗物质的上限。
• 若暗物质质量远小于1 GeV，且与核子的散射截面为10⁻³³至10⁻²⁷ cm²，则其可导致飞越中的速度变化。
• 速度降低源于弹性散射，而速度增加则来自向更轻暗物质态的放热非弹性散射。
• 所需暗物质必须为非自湮灭且在无核子存在下稳定，与标准弱相互作用大质量粒子（WIMP）模型不同。
• 提出一种双组分暗物质模型，包含独立的弹性与非弹性散射组分，以拟合安德森团队的飞越异常数据。