[论文解读] Soliton Merger Rates and Enhanced Axion Dark Matter Decay

Xiaolong Du, David J. E. Marsh+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文使用扩展的Press-Schechter形式化方法计算了早期暗物质晕中孤子合并率，表明轴子星的主并合可产生超临界孤子，后者会迅速衰变为光子。对于某些轴子参数，这种衰变在红移 z > 10 时向星系际介质注入的能量速率超过大质量超新星的贡献，显著增强暗物质衰变信号。

ABSTRACT

Solitons are observed to form in simulations of dark matter (DM) halos consisting of bosonic fields. We use the extended Press-Schechter formalism to compute the mass function of solitons, assuming various forms for the relationship between halo mass and soliton mass. We further provide a new calculation of the rate of soliton major mergers. Solitons composed of axion DM are unstable above a critical mass, and decay to either relativistic axions or photons, depending on the values of the coupling constants. We use the computed soliton major merger rate to predict the enhanced DM decay rate due to soliton instability. For certain values of currently allowed axion parameters, the energy injection into the intergalactic medium from soliton decays to photons is comparable to or larger than the energy injection due to core collapse supernovae at $z>10$. A companion paper explores the phenomenology of such an energy injection.

研究动机与目标

• 建立由轴子样粒子组成的早期暗物质晕中形成的孤子的宇宙学质量函数模型。
• 使用扩展的Press-Schechter形式化方法，计算星系晕中主孤子合并的速率，同时考虑星系晕-孤子质量关系。
• 评估孤子合并对轴子暗物质衰变的影响，特别是超临界孤子的形成及其快速衰变为光子的过程。
• 量化孤子衰变向星系际介质注入的能量，并与高红移时的天体物理源（如大质量超新星）进行比较。
• 评估在不同并合标准下（包括最小质量比阈值）衰变增强的鲁棒性。

提出的方法

• 使用扩展的Press-Schechter形式化方法，在各种星系晕-孤子质量标度关系下推导孤子质量函数。
• 基于质量函数和并合截面计算并合速率，整合红移相关的星系晕增长与并合统计。
• 应用临界质量阈值（公式11）以确定孤子何时变得不稳定并指数衰变为光子。
• 利用子晕下落的N体模拟估算并合 timescale τ_merging，考虑动力摩擦和潮汐剥离效应。
• 施加最小质量比 μ_h ≥ 0.3 以识别实际发生中心孤子并合的并合事件，从而优化衰变速率估计。
• 使用红移相关的光度函数，将孤子衰变产生的能量注入与第三代恒星超新星的能量注入进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z > 10 时，早期暗物质晕中主孤子并合的预测速率是多少？
• RQ2 通过并合形成超临界孤子如何增强轴子暗物质的衰变速率？
• RQ3 孤子衰变向星系际介质注入的能量速率是多少？与大质量超新星的贡献相比如何？
• RQ4 衰变增强对并合阈值选择（如 μ_h ≥ 0.3）和轨道动力学的敏感性如何？
• RQ5 孤子并合驱动的衰变是否可能在高红移星系际介质中产生可观测的特征？

主要发现

• 对于当前观测约束范围内的轴子参数，孤子衰变产生的光子能量注入在 z > 10 时比大质量超新星高出多个数量级。
• 孤子并合率通过扩展的Press-Schechter形式化方法计算，质量函数依赖于所假设的星系晕-孤子质量关系。
• 质量比 μ_h ≥ 0.3 的并合孤子会导致中心孤子并合，由此产生的超临界孤子在远短于 τ_merging 的 timescale 内指数衰变。
• 引入 μ_h ≥ 0.3 阈值后，α = 1/3 时预测衰变速率降低40%，α = 3/5 时降低10%，表明对并合选择标准的敏感度适中。
• 并合 timescale τ_merging 估计约为 0.16 Gyr（当 μ_h ≥ 0.3 时），且短于并合红移时的哈勃时间，因此延迟效应可忽略不计。
• 结果表明，孤子并合可能是高红移能量注入的主要来源，可能在宇宙微波背景或21 cm背景中留下可探测的印记。