[论文解读] The dark matter is mostly an axion BEC

P. Sikivie|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2010

Scientific Research and Discoveries参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，暗物质主要由形成玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的轴子构成，这导致星系晕整体产生净旋转，并在相空间中形成明显的潮汐环结构。在孤立盘星系（如银河系）中观测到的潮汐环结构与轴子BEC的预测完全一致，但与WIMPs或惰性中微子所预期的无旋、混沌的相空间结构相矛盾。

ABSTRACT

Axions differ from ordinary cold dark matter, such as WIMPs or sterile neutrinos, because they form a Bose-Einstein condensate (BEC). As a result, axions accreting onto a galactic halo fall in with net overall rotation. In contrast, ordinary CDM accretes onto galactic halos with an irrotational velocity field. The inner caustics are different in the two cases. It is shown that if the dark matter is axions, the phase space structure of the halos of isolated disk galaxies, such as the Milky Way, is precisely that of the caustic ring model for which observational support exists. The other dark matter candidates predict a far more chaotic phase space structure for galactic halos.

研究动机与目标

• 通过将轴子BEC与其它冷暗物质候选者对比，解决暗物质身份长期存在的问题。
• 解释星系晕中观测到的相空间结构，特别是孤立盘星系中潮汐环的存在。
• 证明轴子BEC唯一能产生整体净旋转和有序的潮汐结构，而其他CDM模型无法做到。
• 利用潮汐力矩理论和宇宙演化中的自相似性论证，验证潮汐环模型。
• 确立轴子BEC是唯一同时与观测到的晕动力学和相空间形态一致的CDM候选者。

提出的方法

• 使用轴子场的克莱因-戈登作用量，将轴子暗物质建模为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），其中轴子质量为m，衰变常数为f。
• 从QCD相变计算冷轴子的数密度和动量弥散，表明其处于高度占据的量子态。
• 应用玻色-爱因斯坦凝聚条件：高占据数（约10^61）和低有效温度，确认尽管相互作用微弱，仍可形成BEC。
• 利用潮汐力矩理论推导回转球面上角动量的时间演化，表明角动量轴保持不变，且ℓ(t) ∝ t^(5/3)。
• 将预测的相空间结构——星系平面内的潮汐环——与孤立盘星系中的观测结果进行对比。
• 对比轴子BEC与WIMPs及惰性中微子的行为，后者产生无旋、无旋度的流速场，以及方向随机的帐篷状内潮汐环。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系晕中观测到的潮汐环结构能否由轴子的玻色-爱因斯坦凝聚态解释？
• RQ2 轴子BEC如何在星系晕中产生整体净旋转，而其他冷暗物质候选者无法做到？
• RQ3 回转球面上角动量的时间依赖性是否与潮汐力矩理论及潮汐环模型一致？
• RQ4 为何WIMPs和惰性中微子无法再现盘星系中观测到的有序、平面状潮汐结构？
• RQ5 轴子BEC晕的相空间结构与传统冷暗物质模型有何本质区别？

主要发现

• 尽管相互作用微弱，轴子BEC因极高占据数（约10^61）和低有效温度而形成，完全满足玻色-爱因斯坦凝聚条件。
• 轴子BEC在星系晕中产生整体净旋转，导致潮汐环被限制在星系平面，与观测数据完全吻合。
• 相比之下，WIMPs和惰性中微子产生无旋、无旋度的流速场，以及方向随机的帐篷状内潮汐环。
• 回转球面上单位角动量的时间演化满足ℓ(t) ∝ t^(5/3)，与潮汐力矩理论及ε = 0.33的潮汐环模型一致。
• 角动量分布的自相似性以及旋转轴随时间保持不变，均为轴子BEC的预测结果，且得到观测证实。
• 轴子BEC是唯一能同时解释观测到的相空间结构、旋转特性及星系晕时间演化特征的暗物质候选者。