[论文解读] WIMP annihilation effects on primordial star formation

E. Ripamonti, Fabio Iocco+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 10

一句话总结

本研究探讨了WIMP暗物质湮灭对原初气体云在第一代恒星形成过程中热力学与化学演化的影响。采用包含WIMP湮灭、气体化学与冷却自洽反馈的1维球对称流体动力学代码，结果表明：尽管湮灭引起的加热显著提升了H₂与自由电子丰度，但由此导致的温度降低幅度较小（最多降低1.5倍），因此对Jeans质量与碎片化尺度的影响微乎其微——意味着对原初恒星初始质量函数的影响极小。

ABSTRACT

We study the effects of WIMP dark matter (DM) annihilations on the thermal and chemical evolution of the gaseous clouds where the first generation of stars in the Universe is formed. We follow the collapse of the gas inside a typical halo virializing at very high redshift, from well before virialization until a stage where the heating from DM annihilations exceeds the gas cooling rate. The DM energy input is estimated by inserting the energy released by DM annihilations (as predicted by an adiabatic contraction of the original DM profile) in a spherically symmetric radiative transfer scheme. In addition to the heating effects of the energy absorbed, we include its feedback upon the chemical properties of the gas, which is critical to determine the cooling rate in the halo, and hence the fragmentation scale and Jeans mass of the first stars. We find that DM annihilation does alter the free electron and especially the H2 fraction when the gas density is n>~ 10^4 cm^-3, for our fiducial parameter values. However, even if the change in the H2 abundance and the cooling efficiency of the gas is large (sometimes exceeding a factor 100), the effects on the temperature of the collapsing gas are far smaller (a reduction by a factor

研究动机与目标

• 研究WIMP暗物质湮灭对原初气体云在第一代恒星形成过程中热力学与化学演化的反馈作用。
• 评估暗物质湮灭是否显著改变坍缩原初星系晕的Jeans质量与碎片化尺度。
• 模拟高红移星系晕中WIMP湮灭能量沉积、气体冷却与分子氢形成之间的相互作用。
• 评估自由电子在WIMP湮灭增强能量沉积条件下催化H₂形成的作用。
• 确定WIMP湮灭是否会导致第三星族恒星初始质量函数发生剧烈变化。

提出的方法

• 使用拉格朗日1维球对称流体动力学代码模拟气体演化，包含引力、流体动力学、化学与冷却过程。
• 应用Gnedin等（2004）提出的绝热压缩（AC）算法，根据重子物质坍缩更新暗物质分布。
• 利用公式 $ l_{dm}(r) = f c^2 \frac{\braket{\sigma v}}{m_{DM}} \rho_{DM}^2(r) $ 计算暗物质湮灭的能量沉积率，其中 $ m_{DM} = 100 \, \text{GeV}/c^2 $，$ \braket{\sigma v} = 3 \times 10^{-26} \, \text{cm}^3/\text{s} $，$ f = 2/3 $ 为吸收的能量分数。
• 通过有效消光系数 $ \kappa = 0.01 \, \text{cm}^2/\text{g} $ 的辐射转移模型估算湮灭能量被重子吸收的比例。
• 追踪中心气体密度、温度、冷却率、加热率、H₂丰度与自由电子分数的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 WIMP湮灭如何改变原初气体的化学演化，特别是H₂与自由电子丰度？
• RQ2 WIMP湮灭的能量沉积在原初星系晕坍缩过程中对气体温度的影响程度如何？
• RQ3 WIMP湮灭对坍缩原初气体云的冷却效率与Jeans质量的净影响是什么？
• RQ4 在何种气体密度下，暗物质湮灭加热开始主导冷却过程，其对碎片化的影响如何？
• RQ5 WIMP湮灭是否显著改变第三星族恒星的初始质量函数？

主要发现

• 在密度 $ n \gtrsim 10^4 \, \text{cm}^{-3} $ 时，WIMP湮灭显著提高了H₂丰度与自由电子浓度，某些情况下H₂丰度变化超过100倍。
• 尽管H₂丰度大幅增加，由于H₂冷却效率对温度具有强烈依赖性，气体温度最多降低1.5倍。
• 由于H₂形成增强，冷却率显著提升，但被温度下降所抵消，导致热力学状态仅发生微小净变化。
• 在 $ n \gtrsim 10^9 \, \text{cm}^{-3} $ 时，H₂形成趋于饱和，有与无DM湮灭模型的冷却率趋于一致。
• 在 $ n \gtrsim 10^{11} \, \text{cm}^{-3} $ 时，DM湮灭的直接加热开始主导冷却过程，最终导致中心温度超过标准模型。
• Jeans质量最多降低约2倍，表明WIMP湮灭对原初恒星的碎片化尺度与初始质量函数仅有微小影响。