[论文解读] Tidal disruption of solitons in self-interacting ultralight axion dark matter

Noah Glennon, Ethan O. Nadler+4 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 81被引用 16

一句话总结

本研究通过伪谱模拟研究了超轻量轴子（ULA）暗物质中自相互作用对束缚核潮汐撕裂的影响。结果表明，排斥性自相互作用会加速撕裂过程，而吸引性自相互作用则会减缓该过程，且自相互作用强度与束缚核质量之间存在强烈退化关系，导致撕裂 timescales 变化幅度高达约50%，覆盖 λ = −10⁻⁹² 至 10⁻⁹² 的范围。

ABSTRACT

Ultralight axions (ULAs) are promising dark matter candidates that can have a distinct impact on the formation and evolution of structure on nonlinear scales relative to the cold, collisionless dark matter (CDM) paradigm. However, most studies of structure formation in ULA models do not include the effects of self-interactions, which are expected to arise generically. Here, we study how the tidal evolution of solitons is affected by ULA self-interaction strength and sign. Specifically, using the pseudospectral solver UltraDark.jl, we simulate the tidal disruption of self-interacting solitonic cores as they orbit a $10^{11}~M_{\mathrm{\odot}}$ Navarro-Frenk-White CDM host halo potential for a range of orbital parameters, assuming a fiducial ULA particle mass of $10^{-22}\mathrm{eV}$. We find that repulsive (attractive) self-interactions significantly accelerate (decelerate) soliton tidal disruption. We also identify a degeneracy between the self-interaction strength and soliton mass that determines the efficiency of tidal disruption, such that disruption timescales are affected at the $\sim 50\%$ level for variations in the dimensionless ULA self-coupling from $\lambda=-10^{-92}$ to $\lambda=10^{-92}$.

研究动机与目标

• 研究超轻量轴子（ULA）暗物质中束缚核的潮汐撕裂 timescales 受自相互作用的影响。
• 确定 ULA 自相互作用的符号和强度如何影响束缚核在宿主晕势场中抵抗潮汐剥离的韧性。
• 探讨自相互作用强度与束缚核质量之间在决定撕裂效率时的退化关系。
• 使用带有自相互作用项的伪谱求解器，模拟束缚核在真实 10¹¹ M⊙ 纳瓦罗-弗伦克-怀特（NFW）宿主晕中的演化。
• 为低质量次晕的观测探测提供关于撕裂 timescales 的定量约束。

提出的方法

• 使用伪谱求解器 UltraDark.jl 模拟 ULA 束缚核的潮汐撕裂，该求解器求解包含自相互作用项的非线性薛定谔-泊松方程。
• 通过四次自相互作用势 V(φ) = λφ⁴/4 对 ULA 标量场进行建模，其中 λ 控制自相互作用的强度和符号。
• 设定 ULA 粒子质量为 10⁻²² eV 的基准值，并在 10¹¹ M⊙ NFW 宿主晕势场中对不同轨道上的束缚核进行演化。
• 初始条件设定为在自相互作用存在下，格罗斯-皮塔耶夫斯基方程的束缚态基态。
• 通过追踪束缚核的质量损失和结构演化，量化撕裂 timescales。
• 在一系列轨道参数、自耦合强度（λ ∈ [−10⁻⁹², 10⁻⁹²]）和束缚核质量范围内进行模拟，以探测退化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 ULA 自相互作用的符号和大小如何影响束缚核潮汐撕裂 timescales？
• RQ2 自相互作用强度在多大程度上改变束缚核在宿主晕势场中抵抗潮汐剥离的韧性？
• RQ3 在决定撕裂效率时，束缚核质量与自相互作用强度之间是否存在退化关系？
• RQ4 轨道参数（如偏心率、近心点距离）如何调制自相互作用与潮汐撕裂之间的相互作用？
• RQ5 与非自相互作用（FDM）极限相比，自相互作用对撕裂 timescales 的定量影响是什么？

主要发现

• 排斥性自相互作用（λ > 0）显著加速束缚核的潮汐撕裂，相比非自相互作用情况，撕裂 timescales 显著缩短。
• 吸引性自相互作用（λ < 0）减缓潮汐撕裂过程，由于结合能增强，导致撕裂时间延长。
• 自相互作用强度与束缚核质量之间存在强烈退化关系：当 λ 从 −10⁻⁹² 变化到 10⁻⁹² 时，对于固定束缚核质量，撕裂 timescales 变化幅度高达约50%。
• 撕裂效率并非仅由 λ 或质量单独决定，而是由两者的联合效应决定，表明观测约束必须考虑这一退化关系。
• 对于固定质量的束缚核，|λ| 增大将导致撕裂 timescales 单调变化，且该效应在 |λ| 较大时更为显著。
• 结果表明，在理论建模 ULA 次晕演化时必须包含自相互作用，否则可能导致对 ULA 参数的观测约束产生误解。