[论文解读] Ultralight bosonic dark matter in white dwarfs and potential observational consequences

N. Sanchis-Gual, Paula Izquierdo|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 89被引用 10

一句话总结

本文研究了通过引力冷却机制形成混合白矮星-玻色子星的动力学过程，表明超轻玻色子暗物质吸积会改变白矮星的结构，增加其致密性并改变其引力红移。关键结果表明，此类混合结构在电磁观测中可能与标准白矮星难以区分，但由于引力红移不同，质量估算结果存在差异，这或许能解释白矮星质量-半径关系中观测到的小幅不一致。

ABSTRACT

Fluid and ultralight bosonic dark matter can interact through gravity to form stable fermion-boson stars, which are static and regular mixed solutions of the Einstein-Euler-(complex, massive) Klein-Gordon system. In this work we study the dynamical formation via gravitational cooling of a spherical mixed white-dwarf--boson star, whose properties depend on the boson particle mass and the mass of the boson star. Due to the accretion of bosonic dark matter, the white dwarf migrates to a denser and more compact object with a boson star core, thus modifying its gravitational redshift and altering the electromagnetic radiation emitted from the photosphere. We discuss the implications of the changes in the gravitational redshift that in principle could be produced by any type of dark matter and that might lead to small discrepancies in the estimation of masses and radii derived from white dwarf observations.

研究动机与目标

• 研究标量场云在白矮星周围通过引力冷却机制动态形成混合白矮星-玻色子星的过程。
• 评估超轻玻色子暗物质吸积对白矮星结构和引力性质的影响。
• 评估潜在的观测后果，特别是引力红移与电磁辐射方面的差异。
• 确定混合费米子-玻色子星是否可能在外观测中与标准白矮星难以区分，但导致质量估算不一致。
• 探讨白矮星质量与半径测量中的不一致是否可能源于未探测到的玻色子星核心，而非测量误差。

提出的方法

• 对球对称爱因斯坦-欧拉-（复数、有质量）克莱因-高兹曼系统进行数值模拟，以模拟标量场云在白矮星周围的时域演化。
• 采用多方状态方程，将费米子白矮星组分作为简化的天体物理模型进行建模。
• 应用引力冷却机制，从初始标量场构型动态形成稳定的混合白矮星-玻色子星。
• 利用先前关于费米子-玻色子星的研究代码，基于模拟最终数据构建静态、平衡的混合恒星模型。
• 将混合恒星与具有相同中心静止质量密度的孤立白矮星的电磁与引力性质进行比较。
• 计算混合恒星与孤立白矮星在光球层处的引力红移，以评估观测差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 超轻玻色子暗物质是否能通过引力冷却机制在白矮星上吸积并形成稳定的混合白矮星-玻色子星？
• RQ2 玻色子暗物质的吸积如何改变白矮星的径向能量密度分布与致密性？
• RQ3 在相同中心密度下，混合白矮星-玻色子星的引力红移与标准白矮星相比有多大差异？
• RQ4 观测到的白矮星质量与半径估算中的不一致是否可由隐藏的玻色子星核心来解释？
• RQ5 具有玻色子星核心的白矮星与纯白矮星相比，其可观测电磁效应有何不同？

主要发现

• 混合白矮星-玻色子星通过引力冷却机制动态形成，标量场云发生坍缩并在白矮星内部形成稳定核心。
• 由于中心玻色子星的自引力作用，白矮星的费米子组分变得更加致密和紧凑，其径向密度分布趋近于具有相同中心密度的孤立白矮星。
• 由于玻色子星核心改变了时空几何，混合恒星在光球层处的引力红移与具有相同中心密度的标准白矮星不同。
• 基于引力红移估算的质量在混合恒星中可能与其它方法估算的结果不一致，从而在白矮星质量测定中引入潜在偏差。
• 混合恒星与标准白矮星之间引力红移的差异预计较小，与当前观测不确定性一致。
• 结果表明，未探测到的玻色子星核心可能解释了白矮星质量与半径测量中微小但未解释的不一致。