[论文解读] White Dwarfs in Dwarf Spheroidal Galaxies: A New Class of Compact-Dark-Matter Detectors

Juri Smirnov, A. Goobar+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文提出，富含钙的间隙暂现源——一种光度较暗、快速演化、前身星为低质量白矮星的超新星——是由暗物质相互作用触发的，特别是质量大于10²¹ g的原初黑洞（PBHs）。这些PBHs在矮椭球星系（dSphs）中点燃低质量白矮星，解释了暂现源的扩展空间分布和低光度，且事件率与质量在10²²–10²⁴ g范围内的PBHs观测结果一致。

ABSTRACT

Recent surveys have discovered a population of faint supernovae, known as Ca-rich gap transients, inferred to originate from explosive ignitions of white dwarfs. In addition to their unique spectra and luminosities, these supernovae have an unusual spatial distribution and are predominantly found at large distances from their presumed host galaxies. We show that the locations of Ca-rich gap transients are well matched to the distribution of dwarf spheroidal galaxies surrounding large galaxies, in accordance with a scenario where dark matter interactions induce thermonuclear explosions among low-mass white dwarfs that may be otherwise difficult to ignite with standard stellar or binary evolution mechanisms. A plausible candidate to explain the observed event rate are primordial black holes with masses above $10^{21}$ grams.

研究动机与目标

• 解释富含钙的间隙暂现源的异常空间分布及其低质量前身星，这些特征与标准双星演化模型不符。
• 研究致密暗物质遗迹（特别是原初黑洞，PBHs）是否能触发低质量白矮星的热核爆炸。
• 检验观测到的富含钙暂现源事件率是否能由质量大于10²¹ g的PBHs解释，尤其是10²²–10²⁴ g范围内的PBHs。
• 提出宿主星系周围的矮椭球星系（dSphs）是这些事件的主要发生场所，因其拥有古老、致密的白矮星种群和致密的暗物质晕。
• 提供可检验的观测路径：利用如詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）等深空后续巡天，将富含钙暂现源的位置与dSphs相关联。

提出的方法

• 通过预期的暗物质/白矮星相互作用事件的径向分布模型，模拟富含钙暂现源的空间分布，特别关注dSphs中的情况。
• 将观测到的富含钙暂现源和标准Ia型超新星的径向分布与恒星密度及预测的DM/WD相互作用分布进行比较。
• 利用白矮星质量函数和低质量WDs（MWD < 0.8 M⊙）随年龄变化的丰度，估算致密DM物体点燃白矮星的可能性。
• 估算使观测到的富含钙暂现源事件率（3.19×10⁻⁶ Mpc⁻³ yr⁻¹）得以匹配的PBH质量与数密度。
• 通过一维模拟评估PBH在白矮星中能量沉积效率，考虑低质量白矮星点火的质量阈值。
• 提出利用JWST进行观测检验：在富含钙暂现源位置探测dSphs，尤其关注MIR > -7等深的卫星。

实验结果

研究问题

• RQ1 富含钙的间隙暂现源的空间分布能否由矮椭球星系中低质量白矮星与暗物质的相互作用来解释？
• RQ2 为产生观测到的富含钙暂现源事件率并点燃低质量白矮星，原初黑洞（PBHs）的质量范围应为多少？
• RQ3 为何富含钙暂现源主要出现在大星系中心半径处，而标准Ia型超新星则不然？这与暗物质和古老恒星种群的分布有何关联？
• RQ4 富含钙暂现源的微弱光度和特殊光谱能否自然地由PBH引发的点火解释，而非标准双星演化？
• RQ5 该假设的观测特征是什么？当前或未来的望远镜（如JWST）能否在富含钙暂现源位置探测到dSphs？

主要发现

• 富含钙暂现源的径向分布与暗物质/白矮星相互作用的预期空间分布高度一致，特别是在矮椭球星系中，且与恒星密度或标准Ia型超新星分布不一致。
• 观测到的富含钙暂现源事件率（3.19×10⁻⁶ Mpc⁻³ yr⁻¹）与原初黑洞质量在10²² g至10²⁴ g之间的群体一致，前提是这些PBHs占暗物质的显著比例。
• 低质量白矮星（MWD ~ 0.6 M⊙）在古老系统（>8 Gyr）中更为丰富，其由致密暗物质遗迹点燃可解释这些暂现源出现在古老椭圆星系中的原因。
• 矮椭球星系主导事件率，因其拥有大量古老、低质量白矮星以及致密、低速度弥散的暗物质晕。
• 该情景与NANOGrav信号一致，因质量在10²¹–10²³ g范围的PBH质量峰与观测到的引力波背景相符。
• 利用JWST进行深空后续观测有望在富含钙暂现源位置解析出dSphs，为所提出的暗物质点火机制提供关键检验。