AxioNyx: Simulating Mixed Fuzzy and Cold Dark Matter
模糊暗物质的独特效应在非线性星系尺度上最为明显。我们提出了第一个模拟的混合模糊和冷暗物质,获得了一个扩展版本的尼克斯代码。模糊(或超轻,或类轴子)的暗物质动力学是由共同运动的薛定谔-泊松方程决定的。这是一个伪谱算法的根网格上,并与有限差分在六个层次的自适应细化。冷暗物质是在尼克斯现有的N体实现中进化的。本文首次对混合暗物质模型中的球形坍缩进行了研究,重点讨论了坍缩晕中的径向密度分布、速度谱和孤子形成。我们发现有效颗粒质量的减少与模糊暗物质的分数成正比,二次抑制孤子的增长,和一个中心孤子的形成,只有当模糊暗物质分数大于10\%。Nyx框架支持重子物理和关键的天体物理过程,如恒星形成。因此,AxioNyx将使模糊暗物质天体物理学的研究越来越现实。
2020-07-16 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Core-Cusp Problem Revisited: ULDM vs. CDM
核心尖点问题是一个被广泛引用的动机探索暗物质模型超越标准CDM。其中一个替代方案是ULDM;在千秒差距尺度上表现出波动性质的极轻标量粒子。天体物理上真实的ULDM晕预计由嵌入NFW样外晕的内孤子核心组成。孤子核心的存在表明,ULDM可以解决与纯NFW晕核心尖点的差异,而不求助于重子物理。然而,它已被证明,密度的ULDM晕可以超过那些可比的NFW配置在某些半径和晕质量,显然加剧了问题,而不是解决it. This情况出现,因为,虽然孤子核心是平坦的,在其中心,他们服从逆质量半径标度关系。同时,内孤子的质量随着总晕质量的增加而增加,因此,在大晕质量处,内核变得更加尖峰化。我们描述了一个参数化的径向密度分布的ULDM晕,允许环境变化的核心晕质量关系,以更详细地调查这个问题。对于质量为10^12太阳质量的晕,我们发现了可行的ULDM轮廓,其中心密度低于天体物理可达半径处的NFW对应物。然而,观察到的配置文件的比较并不强烈支持任何一个选项,都给合理的适合一些参数选择的数据子集。因此,我们发现,在ULDM的核心尖点问题的强大的测试将需要更全面的观测数据和模拟,包括重子反馈。
2020-01-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Axion core - halo mass and the black hole - halo mass relation: constraints on a few parsec scales
如果暗物质是由超轻的轴子组成,稳定的孤子核心就会在维里化晕的中心形成。在轴子粒子的质量$m$的某个范围内,这些核心足够紧凑,可以模拟位于星系核的超大质量黑洞(SMBH)。我们使用的孤子核心晕质量关系,在数值模拟中验证,约束一个新的范围内允许轴子质量的测量SMBH质量(伪)凸起和无凸起星系。这些限制是基于星系核的观测,尺度小于10 pc。我们的分析表明,数据排除了$m < 10^{-18}$ eV。我们简要地讨论了是否有吸引力的自相互作用的轴子可以减轻这种约束。
2020-04-04 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
More Axion Stars from Strings
本文证明后暴胀QCD轴子暗物质中超过10%会在物质-辐射等量时坍缩成玻色星,结果几乎与轴子质量无关,这些孤子可能存活至今,影响现象学和实验搜索。
2024-08-20 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Detecting Axion-like Dark Matter with Linearly Polarized Pulsar Light
非相对论性QCD轴子或类轴子粒子是宇宙中冷暗物质最热门的候选者之一。我们提出了用线偏振脉冲星光作为探测器来探测类轴子DM。由于星系轴子DM背景振荡可能引起的双折射效应,脉冲星光穿越星系时,其线偏振角可能随时间变化。与孤子+NFW银河DM密度分布,我们表明,这种策略可以潜在地探测小到$\sim 10^{-13}$ GeV $^{-1}$轴子质量$m_a \sim 10^{-22}-10^{-20}$ eV的轴子光子耦合,给定当前的测量精度。强于CAST($ \sim 10^{-10}$ GeV $^{-1}$)和SN 1987 A($ \sim 10^{-11}$ GeV $^{-1}$)的排阻极限可以分别扩展到$m_a \sim 10^{-18}$ eV和$\sim 10^{-19}$ eV。
2019-02-25 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Ultra-Light Axion Dark Matter and its impacts on dark halo structure in $N$-body simulation
超轻轴子(Ultra-Light Axion,缩写为Axion)是一种质量为$\mathcal{O}(10^{-22})$ eV,德布罗意波长为kpc量级的暗物质候选者。这样的轴子,也被称为模糊暗物质(FDM),通过引力热化并形成玻色-爱因斯坦凝聚体。最近的研究表明,FDM产生的量子压力可以显著影响小尺度下的结构形成,从而缓解所谓的“小尺度危机”。在本文中,我们发展了一种新的技术来离散的量子压力和说明FDM粒子之间的相互作用的$N$体模拟,它准确地模拟了暗物质晕的形成及其内部结构的软化长度以外的区域。在自引力束缚的维里化晕中,我们发现了一个密度恒定的孤子核,这与理论预测是一致的。孤子核的存在揭示了量子压力的非线性效应,并影响了FDM模型中结构的形成。
2018-01-29 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
A Soliton Solution for the Central Dark Masses in 47- Tuc Globular Cluster and Implications for the Axiverse
我们对球状星团47-Tuccino中心恒星的上升自行提供了驻波解释,这些恒星的上升自行相当于总质量的$\simeq 0.44\%$。我们表明,这可以解释为暗物质的光玻色子组成的孤子核心,$ m \geq 10^{-18} eV $,对应于$ \leq 0.27 pc$,作为一个替代方案,一个单一的黑洞(BH)或最近提出的恒星BH残余物的浓度。这一点特别重要,因为在没有重核的情况下,拥有一个具有上述半径的浓缩恒星BH残留物是非常具有挑战性的,因为三个天体的相遇会阻止BH如此浓缩。我们认为这个核心是由这个球状星团在围绕我们银河系的暗晕运行时被深引力势捕获的暗物质发展而来的。这个玻色子可能是第二个轻轴子的证据,除了$10^{-22} eV$的较轻玻色子之外,矮球状星系的大暗核暗示了占主导地位的暗物质。两个这样的轻玻色子质量标度的识别有利于广义弦论预测的一个广泛的,离散的质量谱的轴子标量场。
2020-02-24 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Pre-inflationary QCD axion stars after moduli domination
University of Oxford(牛津大学)
大爆炸前QCD轴子暗物质在早期物质主导时期经历绝热密度扰动,产生约1个量级的扰动,这些扰动在量子 Jeans 尺寸处坍缩成轴子星,可能包含50%的暗物质。
2026-04-30 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Dynamical flattening of halo density cusps by Q-ball dark matter
Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences(俄罗斯科学院核物理研究所);Faculty of Physics, M.V. Lomonosov Moscow State University(莫斯科国立大学物理系)
该研究利用含Q球暗物质的玩具模型,提出Q球的相互作用可将暗物质晕中心尖峰扁平化,或能解释星系小尺度观测的相关张力及内轮廓多样性。
2026-07-31 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Small-scale structure of fuzzy and axion-like dark matter
类轴子粒子(ALP)暗物质在波动效应超过自引力的尺度上表现出独特的行为。超轻轴子是模糊暗物质(FDM)的候选者,其在维里化晕中的德布罗意波长达到千秒差距的尺度。FDM方案的重要特征是形成孤立子晕核,抑制小尺度扰动,增强引力松弛。更大质量的ALP,包括QCD轴子,在星系尺度上表现得像CDM,但如果它们在暴胀后产生,可能会聚集成轴子微团。就像FDM晕一样,轴子小星团也可以通过玻色-爱因斯坦凝聚形成相干束缚物体(轴子星)。本文介绍了一个选择的主题,在这一领域,目前正在积极调查。
2019-12-15 astro-ph.CO astro-ph.GA
The impact of ultra-light axion self-interactions on the large scale structure of the Universe
超轻轴子引起了人们的关注,因为它们的微小质量$m\sim 10^{-22}$ eV,导致与矮星系大小相当的千秒差距尺度的德布罗意波长,可以缓解所谓的大质量冷暗物质(CDM)候选者的小尺度危机。然而,最近对莱曼的分析-$α$森林功率谱对它们的质量$m\gtrsim 10^{-21}$ eV设定了一个严格的下限,这使得它们从天体物理学的角度来看不太相关。这些数值研究的一个重要警告是,它们没有考虑超轻轴子之间的吸引力自相互作用,这可以抵消粒子强烈离域引起的量子“压力”。在这项工作中,我们表明,即使是一个微小的吸引力之间的相互作用超轻轴子可以有一个显着的影响宇宙结构的稳定性在低红移。在简要回顾了无引力情况下孤子的已知结果后,我们讨论了在存在量子压力、引力和吸引相互作用时,无引力和煎饼解的稳定性.基于一个自由度,即呼吸模式的分析表明,煎饼是稳定的,而细丝是不稳定的,如果每单位长度的质量大于一个临界值。然而,我们表明,煎饼是不稳定的横向扰动。我们希望这也适用于晕和细丝。由呼吸模式驱动的不稳定性将不会在低柱密度莱曼- $α$森林中看到,除非轴子衰变常数非常小,$f\lesssim 10^{13}$ GeV。尽管如此,如果未知的轴子核心-细丝质量关系的归一化比球形晕的大$\sim 100$,那么轴子孤子核心可以在莱曼- $α$森林中留下可检测的签名。
2018-01-07 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Non-sphericity of ultralight axion dark matter haloes in the Galactic dwarf spheroidal galaxies
超轻轴子暗物质是解决小尺度问题,特别是核尖点问题的可能方案之一。这是因为暗物质可以在所有暗物质晕中产生一个中心孤子核心,这是由于德布罗意波长以下的量子压力对抗重力,这在轴子质量范围为$\sim10^{-22}$ eV的天体物理尺度上变得明显。在这项工作中,我们应用我们的非球形动力学模型的运动学数据的8个经典矮椭球体(dSphs),以获得更可靠和现实的限制,对中微子质量。这是由于dSphs的光分布不是球形的,也不是暗物质模拟预测的暗物质晕的形状。与以往的球形质量模型下的暗暗物质研究相比,由于非球形度的不确定性,我们的结果比那些约束条件更宽松。另一方面,值得注意的是,我们发现dSphs更喜欢有一个扁平的暗物质晕,而不是一个球形的,特别是天龙座喜欢一个强烈拉长的暗物质晕天真地假设一个孤子核心的配置文件。此外,我们随之而来的非球形核心的配置文件是更平坦的比数值预测的基础上的暗物质,即使仍然有不确定性的估计暗物质晕结构。为了减轻这种差异,可能需要进一步了解小质量尺度上的重子和/或重暗物质物理。
2019-12-04 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Bosonic dark matter halos: excited states and relaxation in the potential of the ground state
质量为$\sim 10^{-22}\ {\rm eV}$的超轻轴子场,也被称为波或模糊暗物质,被认为是宇宙中暗物质的组成部分。我们研究了演化的轴子暗物质分布在中央区域的晕,假设质量是由这个轴子场为主,重力是唯一重要的相互作用。我们计算了由自引力基态产生的球引力势中的轴子激发态,也称为孤子。这些激发态类似于具有量子数$(n,l,m)$的氢原子的状态,这里表示经典波的振荡模式。在固定的$n$下,具有最高$l$的模式具有最低的能量,这是因为扩展的质量分布产生了势。我们使用近似的解析处理,以获得在这些状态下的质量分布时,达到稳态的动力学弛豫,并发现一个日冕的质量密度分布$ρ\propto r^{-5/3}$应建立在中央孤子,类似于Bahcall-Wolf尖点预测的恒星分布在中央黑洞周围。随着动力学弛豫的进行和负轨道能量的流出,中心孤子从日冕中吸积暗物质。这种密度分布在日冕质量与中心孤子质量相当的半径范围内仍然有效;此外,引力势取决于暗物质的初始分布,弛豫时间随半径迅速增加。
2018-02-28 astro-ph.CO astro-ph.GA
Nested solitons in two-field fuzzy dark matter
本研究针对弦论动机下的双场超轻轴子模糊暗物质模型,通过数值模拟发现质量差异大时暗晕中心会形成嵌套孤子,且双场宇宙学的小尺度结构特征与单场模型存在显著区别。
2024-01-31 astro-ph.CO astro-ph.GA
Do Dark Matter Axions Form a Condensate with Long-Range Correlation?
最近,人们对暗物质轴子引力热化并形成具有宇宙学长程关联的玻色-爱因斯坦凝聚体的说法产生了极大的兴趣。这对星系尺度的观测有潜在的影响。在这里,我们批判性地审视这一主张。我们指出,由于排斥相互作用,这确实可以驱动长程序,并由于吸引力的相互作用,这可能会导致局部玻色团块(恒星或孤子),只表现出短程相关的热化和冷凝物的形成之间有本质的区别。虽然排斥和吸引力之间的差异是不存在的标准碰撞玻尔兹曼方程,我们认为,这是必不可少的场论动力学,我们解释为什么后者的分析是适当的凝聚。由于轴子主要由吸引力相互作用--引力和标量-标量接触相互作用--控制,我们得出结论,虽然形成了玻色-爱因斯坦凝聚体,但长程相关的说法是不合理的。
2015-11-11 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Interference of Dark Matter Solitons and Galactic Offsets
通过数值模拟,我们讨论了Schrodinger-Poisson方程中稳定孤立波的碰撞动力学。在一个模型的框架中,部分或全部的暗物质是超轻轴子的玻色-爱因斯坦凝聚体,我们表明,这些动力学可以自然地解释暗物质和普通物质之间的相对位移的星系团阿贝尔3827,其最近的观察是第一个经验证据的暗物质相互作用超越重力。基本的假设是千秒差距尺度上孤立星系核的存在。出于这个原因,我们提出了模拟与基准值的轴子质量$m_a = 2 \times 10^{-24}$电子伏特,这是略低于宇宙结构形成的首选,如果该领域是所有的暗物质($m_a \approx 10^{-22}$电子伏特)。我们认为,未来的观测可能会证实或证伪这种相干波解释的暗物质抵消。
2016-03-16 astro-ph.CO hep-ph nlin.PS
Modifying PyUltraLight to model scalar dark matter with self-interactions
我们介绍了一个修改的PyUltraLight代码模型的超轻类轴标量暗物质领域的动态演化。我们修改后的代码,PySiUltraLight,增加了一个四次,自相互作用项,以反映一个自然产生的类轴子粒子模型。使用粒子质量为$10^{-22}~\mathrm{eV}/\mathrm{c}^2$,我们表明,PySiUltraLight产生空间振荡孤子,爆炸孤子,和崩溃的孤子先前的分析工作表明,将发生有吸引力的自相互作用。使用我们的代码,我们计算的振荡频率的孤子质量和平衡半径的函数存在的吸引力的自相互作用。研究表明,当孤子质量低于Chavanis [arxiv:1604.05904]所描述的临界质量($M_c = \frac{\sqrt{3}}{2}M_{\mathrm{max}}$)且初始半径在一定范围内时,孤子是不稳定的,会发生爆炸.我们测试了Chavanis [arxiv:1604.05904]和Chavanis和Delfini [arxiv:1103.2054]描述的最大质量准则,当包含有吸引力的自相互作用时,孤子会崩溃。我们还分析了两个二进制孤子碰撞和孤子旋转中心质量的吸引和排斥的自相互作用。我们发现,当有吸引力的自相互作用被包括在内,密度分布得到扭曲后的二进制碰撞。我们还发现,孤立子是不太容易受到潮汐剥离时,有吸引力的自相互作用。我们发现,相反的是真实的排斥性的自相互作用,孤子将更…
2021-10-14 astro-ph.CO hep-ph
Simulations of multi-field ultralight axion-like dark matter
本研究修改UltraDark.jl代码,首次开展含自相互作用与场间相互作用的双场超轻类轴子暗物质三维模拟,探究了孤子动力学及不同种类孤子碰撞的特性,揭示了多成分、有相互作用情形与单场无相互作用情形的差异。
2023-03-15 astro-ph.CO hep-ph
New generation low-energy probes for ultralight axion and scalar dark matter
我们提出了一个简要的概述,新一代的高精度实验室和天体物理测量,以寻找超轻(亚电子伏)轴子,轴子类赝标量和标量暗物质,形成一个相干凝聚或拓扑缺陷(孤子)。在这些新的探测方法中,所寻求的效应在暗物质和普通物质之间的相互作用常数中是线性的,这与传统的暗物质搜索形成鲜明对比,在传统的搜索中,所寻求的效应在潜在的相互作用常数(非常小)中是二次或更高阶的。
2015-06-28 astro-ph.CO hep-ph nucl-th
The Large-Misalignment Mechanism for the Formation of Compact Axion Structures: Signatures from the QCD Axion to Fuzzy Dark Matter
轴子是标准模型之外最有动力的粒子之一。我们展示了如何吸引的自相互作用的暗物质(DM)的轴子在广泛的质量范围内,从$10^{-22}$ eV到$10^7$ GeV,可以导致非引力增长的密度波动和形成的绑定对象。这种结构形成增强驱动的参数共振时,初始场的失调是大的,它影响的长度尺度上的哈勃视界的轴子场开始振荡时,在辐射主导的时代深处的轴子密度扰动。这种效应可以将绝热扰动的几乎尺度不变的光谱变成在上述尺度上具有尖峰的光谱,产生从密集DM晕到标量场配置(如孤子和微扰子)的物体。我们称这类产生轴子DM的宇宙学方案为“大错位机制”。“我们探索了这种机制的观测结果与质量高达$10$ eV的轴子。对于比$10^{-5}$ eV重的轴子来说,致密的轴子晕的数量足以显著影响地球上的直接探测实验,产生间歇但相干的信号,重复率超过每十年一次,交叉时间少于一天。轴子密度和运动学相干性的这些偶发性增加为轴子DM搜索(包括QCD轴子)提出了新的方法。由$10^{-22}$ eV到$10^{-5}$ eV的轴子组成的致密结构可以通过引力透镜搜索探测到,它们的引力相互作用也可以扰动重子结构并改变恒星的形成。在非常高的失调幅度,轴子场可以经历自相互作用诱导的内爆物质辐射平等之前很久,产生潜在的可检测的低频随机引力波。
2019-12-30 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Recognising Axionic Dark Matter by Compton and de-Broglie Scale Modulation of Pulsar Timing
在弦论的推动下,轻轴子暗物质越来越受到“无WIMP时代”的青睐。星系形成被抑制低于金斯尺度,$\simeq 10^8 M_\odot$的轴子质量设置为,$m_B \sim 10^{-22}$ eV,和矮星系的大暗核的德布罗意尺度上的孤子解释。这是有说服力的,但在康普顿频率$ω_B= (2.5{\rm \, months})^{-1}(m_B/10^{-22}eV)$的固有标量场振荡的检测将是决定性的。通过演化玻色-爱因斯坦凝聚体的耦合薛定谔-泊松方程,我们预测暗物质完全受到德布罗意干涉的调制,在银河系中心有一个尺寸为$\simeq 150pc$的致密孤子核。振荡的场压导致广义相对论时间膨胀,与当地的暗物质密度成比例,在这个致密的核心内的暗物质具有可检测到的大的定时残差,即$\simeq 400nsec/(m_B/10^{-22}eV)$。这是令人鼓舞的,因为在银河系中心附近应该会发现许多新的行星,并计划进行无线电调查。更一般地说,在整个银河系中,两对星系星之间的暗物质密度差异会留下一个两两的银心特征,可以从各向同性的引力波背景中区分出来。
2017-10-25 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Core-halo mass relation of ultralight axion dark matter from merger history
在超轻轴子暗物质的结构形成的背景下,我们提供了一个替代的解释孤子核心和它们的主机晕在数值模拟中观察到的质量关系。我们的论点是完全基于二进制核心的主要合并过程中发生的质量增益,并在很大程度上独立于初始的核心晕质量关系分配给主机,刚刚崩溃。我们发现晕质量$M_h$和相应的核心质量$M_c$,$M_c\propto M_h^{2β-1}$,其中$(1-β)$是核心质量损失分数之间的关系。在随机合并树的核心群众的演变,我们发现我们的模型的经验证据。我们的结果是有用的统计模型的暗物质核心的星系及其子结构的性质在轴子暗物质宇宙学的影响。
2017-02-14 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Formation and mass growth of axion stars in axion miniclusters
我们研究的形成和随后的质量增长的轴子星内的轴子微集群。数值求解薛定谔-泊松方程与现实的初始条件,我们发现,轴子星表现出类似的性质,在超轻玻色暗物质晕的径向密度分布和大振幅振荡的孤子核心。两颗轴子星的合并证实了先前发现的合并轴子星质量的经验定律。随着时间的推移监测轴子星质量,我们观察到质量增长与Levkov等人报告的动力学机制中玻色星的质量增长一致,证实了轴子星的质量演化可以用波凝聚来理解。基于这一结果,我们预测的饱和度的质量增长与微集群质量一致的核心晕质量关系先前发现的超轻玻色子暗物质晕。
2019-09-24 astro-ph.CO
A Search for Axionic Dark Matter Using the Magnetar PSR J1745-2900
我们报告了一个从银河系中心磁星PSR J1745-2900的磁层中寻找暗物质轴子转换光子的过程。Jansky甚大阵。未检测到显著的光谱特征。使用PSR J1745-2900的混合模型和关于暗物质密度分布的规范假设,我们排除了轴子-光子耦合$g_{aγγ}$ > 6-34 x 10 $^{-12}$ GeV $^{-1}$的轴子模型,在质量范围4.2-8.4,18.6-26.9,33.0-41.4,53.7-62.1,和126.0-159.3 $μ$ eV。如果有一个暗物质尖点,极限降低到$g_{aγγ}$ > 6-34 x 10 $^{-14}$ GeV $^{-1}$,这与观测到的质量范围> 33 $μ$ eV的一些轴子模型重叠。这些限制可以通过对可以促进轴子-光子转换过程的受激发射进行建模来改善。
2020-08-18 astro-ph.CO astro-ph.HE
Universal Gravitational Waves from Interacting and Clustered Solitons
本文研究宇宙早期孤子(如振荡子)的相互作用与引力聚集如何增强普遍的引力波背景,并指出其可为未来引力波实验探测早期宇宙物理提供新途径。
2023-12-21 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Nonclassicality of axion-like dark matter through gravitational self-interactions
类轴子粒子(ALP)是很有希望的暗物质候选者。它们通常由经典场描述,其动机是大的相空间占用数。在这里,我们表明,这样的描述是伴随着一个量子效应:由于引力自相互作用压缩。对于一个典型的QCD轴子来说,压缩的开始是在$\mathrm{μs}$ -尺度上达到的,并在数千年内增长。因此,在基于经典薛定谔-泊松方程(一种Gross-Pitaevskii方程)的通常模型中,任何可行的ALP都是非经典的。我们还表明,压缩可能是相关的其他自引力系统,如星系晕,或孤子核心的规模。相反,我们的研究结果突出了经典的单字段描述的ALP的不完整性和局限性。
2022-08-11 astro-ph.CO cond-mat.other hep-ph
Wave Dark Matter
我们回顾波暗物质的物理和现象学:玻色子暗物质候选人轻于约30电子伏特。这种粒子的德布罗意波长超过了像银河系这样的星系中粒子间的平均距离,并且被很好地描述为经典波。我们概述了它们的粒子物理学动机,包括QCD轴子和超轻类轴子粒子,如模糊暗物质。暗物质的波动性质蕴含着丰富的现象学:(1)波动干涉导致德布罗意尺度上的有序统一密度涨落。一种表现形式是密度为零的旋涡,而速度在旋涡周围循环。平均每个德布罗意体积有一个涡环。(2)对于足够低的质量,孤子凝聚发生在晕的中心。孤立子振荡和随机行走,这是波干涉的另一种表现。晕/次晕丰度被抑制在小的质量,但精确的预测数值波模拟仍有待确定。(3)对于超轻~ $10^{-22}$ eV的暗物质,波干涉子结构可以用潮汐流/引力透镜探测。该信号可以区分,由于subhalos流轨道半径/图像分离的依赖。(4)轴子探测实验对中等质量的干涉子结构很敏感。波的随机性质影响实验的解释,并激发了关联函数的测量。目前的限制和开放的问题,包括检测实验和宇宙/银河/黑洞观测,进行了讨论。
2021-01-27 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Gravitational probes of ultra-light axions
轴子是一种假设的、动机良好的暗物质粒子,它的存在可以解释强相互作用中没有电荷宇称破坏。除了这个原始动机,质量为$10^{-33}\,{\rm eV}\lesssim m_{\rm a}\lesssim 10^{-10}\,{\rm eV}$的超轻轴子(ULA)的“轴宇宙”也从弦论中出现。根据质量的不同,这种暗能量对暗物质密度有贡献,或者说,表现得像暗能量。在这些质量下,ULAs的经典波状特性在天文学上表现出来,可能会缓解本地群体尺度上$Λ$ CDM范式内的观测紧张局势。ULA还提供小尺度上的特征,如结构抑制、干涉图案和孤子,以将它们与较重的暗物质候选者区分开来。通过它们的引力印记,在目前允许的参数空间中的ULA提供了一系列观测测试,以在未来十年中实现目标,改变了对微波背景各向异性、星系聚类、沿类星体视线中性氢的莱曼- $α$吸收、脉冲星计时和黑洞质谱的标准预测。
2019-04-18 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Formation of Chiral Soliton Lattice
手征孤子晶格(Chiral Soliton Lattice,CSL)是由等间距平行排列的畴壁组成的晶格结构,由于手征反常产生的拓扑项,在背景磁场和有限(重子)化学势的存在下,CSL是能量稳定的。基于Nambu-Goto型有效理论,我们将CSL描述为一层被涡旋或弦环包围的畴壁盘,从真空态研究了它的形成。当磁场足够强时,畴壁通过量子隧穿成核。我们评估其成核率和确定的临界磁场强度的成核率不再是指数抑制。我们将这种分析应用于双味QCD中的中性π介子以及外部磁场下具有有限(重子)化学势的类轴子粒子(ALP)。在前一种情况下,即使CSL状态比真空状态在能量上更稳定,并且对于足够强的磁场,成核速率变得更大,但它不能足够大,使得畴壁的成核不被指数抑制和促进,而不遭受带电π介子波动的快子不稳定性。在后一种情况下,我们确认,有效的相互作用的ALP一般包括所需的CSL状态的拓扑术语是积极的青睐。结果表明,当系统的磁场强度和化学势略大于轴子衰变常数的尺度时,ALP CSL的形成得到促进。
2022-11-22 astro-ph.CO cond-mat.mes-hall hep-ph
Galaxy UV-luminosity function and reionization constraints on axion dark matter
如果暗物质(DM)是由轴子组成的,那么宇宙中的结构形成将被抑制在轴子金斯尺度之下。利用一个含有轴子和冷暗物质的混合DM模型的晕质量函数的解析模型,结合丰度匹配技术,构造了紫外光度函数。轴子抑制高$z$星系的形成和紫外光光度函数被截断在一个最微弱的极限星等。从紫外光光度函数出发,我们预测了宇宙的再电离历史,发现轴子DM在较低红移处引起再电离。我们使用哈勃超深场紫外光度函数在红移范围$z=6$ - $10$内寻找轴子存在的证据,以及从宇宙微波背景偏振测量的再电离光学深度$τ$。我们考虑的所有探针一致排除了$m_a\lesssim 10^{-23}\text{ eV}$对DM的贡献超过一半,我们最强的约束排除了该模型超过$8σ$显著性。在保守的再电离模型中,带有$m_a=10^{-22}\text{ eV}$的DM的一个主要成分与$τ$的测量值处于$3σ$张力中,对尖核问题的轴子解施加压力。对于只贡献DM的一半的轴子,张力降低到$2σ$。未来JWST在$z=10$ - $13$范围内对紫外光光度函数的测量将为支持或反对$m_a=10^{-22}\text{ eV}$提供进一步的证据。探测更高质量的$m_a=10^{-21}\text{ eV}$将有可能使用先进的ACTPol的动力学Sunyaev-Zel'dovich效应的未来测量来限制再电离的时间和持续时间。
2015-05-28 astro-ph.CO hep-ph
Dipole Radiation and Beyond from Axion Stars in Electromagnetic Fields
我们研究了在外部电磁场存在下,从相干振荡的、空间局部化的轴子场(轴子和轴子星)中产生光子。我们描绘了不同的定性行为的光子光度的一个有效的无量纲耦合参数构造出的轴子光子耦合,场振幅,振荡频率和半径的轴子星。对于这种无量纲耦合的小值,我们提供了一个一般的解析公式的偶极辐射场和光子光度每立体角,包括强烈依赖于配置的半径。对于中到大的耦合,我们报告的非单调行为的光度与耦合强度的存在下,外部磁场。在亮度随耦合强度的初始上升之后,我们看到在中等大的耦合下的抑制(与偶极辐射近似相比是一个数量级或更多)。在足够大的耦合,我们发现一个过渡到制度的指数增长的光度由于参数共振。我们进行3+1维晶格模拟的轴子电动力学,在小和大的耦合,包括非微扰效应的参数共振,以及在必要时的反反应效应。我们还讨论了介质(等离子体)的影响,导致共振轴子光子转换,相干性的孤子的相关性,以及我们的结果在天体物理和宇宙学设置的影响。
2021-03-22 astro-ph.CO hep-ph
The effect of fluctuating fuzzy axion haloes on stellar dynamics: a stochastic model
超轻轴子的模糊暗物质已经引起了人们的注意,这主要是因为与冷暗物质相关的星系尺度问题。但是,大的德布罗意波长,被认为可能减轻这些问题,也导致波动,对超轻轴子的限制。我们适应和扩展的方法,以前设计来描述冷暗物质尖的气体波动的影响,以确定超轻轴子晕的经典测试粒子的运动上的印记。我们首先评估的经典粒子的统计均匀介质中的波动的影响,然后在一个类似的超轻轴子系统。在第一种情况下,恢复经典的两个身体弛豫时间(和扩散系数)从白噪声密度波动。在第二种情况下,波动不是由离散噪声产生的,而是由有限的德布罗意波长产生的;因此,在这个尺度上存在相关性,而白噪声则保留在更大的尺度上,阐明了与经典弛豫的对应关系。由此产生的密度功率谱和关联函数与那些从数值模拟中推断的比较,并从相关的潜在波动所产生的弛豫时间进行评估。然后,我们应用我们的结果来估计嵌入在轴子暗晕磁盘加热。我们发现,这意味着一个轴子质量$m \ga 2 \times 10^{-22} {\rm eV}$。最后,我们将我们的模型应用到波江座II的中央星团的情况下,确认更强的约束$m$原则上可以获得,并讨论与这些假设相关的限制。
2019-12-08 astro-ph.CO astro-ph.GA
Effects of New Forces on Scalar Dark Matter Solitons
Tufts University(塔夫茨大学);Institute for Basic Science (IBS)(韩国基础科学研究所)
本文研究新力对暗物质孤子的影响,分析了新力如何改变核心密度与半径关系,以改进观测数据拟合。
2025-12-06 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
New Limits on Axionic Dark Matter from the Magnetar PSR J1745-2900
轴子是一个很有希望的暗物质候选者,它被激发来解决强CP问题,也可能解决宇宙学的物质-反物质不对称性。在强磁场的存在下,轴子-光子转换是可能的,这样产生的光子将具有与轴子质量相等的能量。在这里,我们报告的银河系中心磁星PSR J1745-2900的射电光谱获得的轴向暗物质的新的限制。磁星有一个$1.6\times10^{14}$ G的磁场,它与暗物质密度$2\times10^5$到$2\times10^9$的相互作用,其密度比地球上的月相仪所遇到的当地暗物质大一倍,这取决于银河系的暗物质分布。在轴子质量范围4.1-165.6 $μ$ eV(1-40 GHz)的62%范围内没有检测到显著的光谱特征。对双光子耦合强度$g_{aγγ}$的通量限制的解释取决于磁层转换模型和银河系中心的暗物质密度。对于标准的暗物质分布,我们排除了具有$g_{aγγ}> $ 6-34 $\times 10^{-12}$ GeV $^{-1}$的轴子模型,在质量范围4.2-8.4,8.9-10.0,12.3-16.4,18.6-26.9,33.0-62.1,70.1-74.3,78.1-80.7,105.5-109.6,111.6-115.2、126.0-159.3和162.5-165.6 $μ$ eV。对于Sgr A* 附近恒星轨道所允许的最大暗物质尖点,这些极限降低到$g_{aγγ} > $ 6-34 $ \…
2020-08-25 astro-ph.CO hep-ph
On the Galactic radio signal from stimulated decay of axion dark matter
本研究分析银河系轴子暗物质受激衰变的射电辐射全天分布,结合观测确定激发辐射分布,对比超新星遗迹并考虑吸收效应,得出不同暗物质轮廓下的信号强弱分布,验证了平方公里阵列对特定参数轴子的探测潜力。
2024-04-11 astro-ph.CO hep-ph
Improved Mixed Dark Matter Halo Model for Ultralight Axions
提出了一个完整的混合暗物质晕模型,该模型由冷暗物质(CDM)和超轻类轴子粒子(ULA)组成。我们的模型将ULAs视为CDM的有偏见的示踪剂,类似于大质量中微子和中性氢的治疗。该模型考虑了CDM主机晕周围ULA的聚类,并完全模拟了两个组件的互相关性。模型的输入数据包括孤子的Jeans尺度和孤子密度分布。我们的模型可以用来预测的物质功率谱,$P(k)$,在非线性尺度上的ULAs在整个质量范围$10^{-33}\text{ eV}\leq m\leq 10^{-21}\text{ eV}$的子群体,并可以校准对未来的混合DM模拟,以提高其准确性。混合DM晕模型还允许我们评估各种近似的重要性。
2023-02-24 astro-ph.CO hep-ph
A Model For Halo Formation With Axion Mixed Dark Matter
在标准的$Λ$ CDM宇宙学中,矮星系的预测有几个问题需要解决,这些问题引起了最近关于暗物质性质可能改变的争论。我们探索了一种新的解决方案,涉及超轻轴子,可以潜在地解决失踪的卫星问题,尖点核心问题,和“太大而不能失败”的问题。我们讨论了近似的非线性结构形成的暗物质模型包含一个组成部分的超轻轴子在四个数量级的质量,$10^{-24}\text{ eV}\lesssim m_a \lesssim 10^{-20}\text{ eV}$,范围太重,不能很好地约束线性宇宙学探测器,如CMB和物质功率谱,太轻/非相互作用的其他天体物理或地球轴子搜索。我们发现,一个轴子的质量$m_a\approx 10^{-21}\text{ eV}$贡献约$85\%$的总暗物质可以引入一个显着的kpc规模的核心在一个典型的银河系卫星星系形成鲜明对比的热遗迹与传递函数切断在相同的规模,同时仍然允许这样的星系形成的显着数量。因此,超轻的轴子不会受到\emph{Catch 22}的影响,\emph{Catch 22}适用于使用温暖的暗物质作为冷暗物质的小尺度问题的解决方案。我们的模型同时允许足够的高红移星系的形成,以允许与观测约束和解,也降低了大质量矮星的最大圆周速度,使重子反馈可能更合理地解决预测的大质量MWG矮星卫星的生产过剩。
2017-07-06 astro-ph.CO hep-ph
Hunting Galactic Axion Dark Matter with Gravitationally Lensed Fast Radio Bursts
本文提出利用引力透镜快速射电暴多像的差分双折射测量探测银河系轴子暗物质,可在SKA时代以单个系统将轴子-光子耦合约束至7.3×10^-11 GeV^-1。
2023-12-21 astro-ph.CO
Unified view of scalar and vector dark matter solitons
本文统一了标量和矢量暗物质孤子(如玻色子星、轴子星等)的视角,揭示其共享非相对论性质,并指出自相互作用和非最小引力相互作用对区分暗物质类型及限制孤子振幅的关键作用。
2025-04-24 astro-ph.CO hep-ph nlin.PS
Analysis of Bose-Einstein condensation times for self-interacting scalar dark matter
我们研究了引力阱中自相互作用类轴子粒子的凝聚时间,扩展了先前的工作[arXiv:2007.07438],该工作表明Wigner形式是描述凝聚标量场的一种很好的分析方法。在目前的工作中,我们使用这种形式主义,肯定$ϕ^4$自相互作用将需要更长的时间来支持与结构形成相关的时间尺度,使重力的过程中的必要组成部分,使轴子暗物质到一个孤立的形式。在这里,我们表明,当考虑到轴子的维里速度,与自相互作用的时间尺度将标度为$λ^2$。这与最近的数值估计是一致的,它证实了在以前的工作~ \cite{Relax}中描述的维格纳形式主义是一个有用的分析框架,以检查潜在的数值伪影的计算工作。
2022-08-30 astro-ph.CO hep-ph
Confronting fuzzy dark matter with the rotation curves of nearby dwarf irregular galaxies
Instituto de Astrofísica de Canarias(加那利群岛天体物理研究所);Universidad de La Laguna(拉奥罗哈大学);Università di Padova(帕多瓦大学);INFN-Padova(意大利国家核物理研究所帕多瓦分部);INAF-Padova(意大利国家天体物理研究所帕多瓦分部)
本文通过高分辨率旋转曲线数据检验模糊暗物质模型的可行性,发现其在核心半径-质量关系和线性功率谱预测上存在显著矛盾。
2026-06-05 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Can Light Dark Matter Solve the Core-Cusp Problem?
最近,人们对轻暗物质,特别是超轻轴子产生了很大的兴趣,因为它们可能为星系中心的核心尖点问题提供解决方案。由于非常轻的玻色子可以有天体物理大小的德布罗意波长,它们可以平滑星系的中心,产生一个核心,而不是香草暗物质模型,因此有人认为这解决了核心-尖点问题。在这项工作中,我们批判性地审查这一主张。虽然超轻粒子确实会导致核心,但我们研究核心密度与其半径之间的关系是否与一系列星系的数据相匹配。我们首先回顾数据,表明一个星系的核心密度$ρ_c$作为核心半径$R_c$的函数变化为$ρ_c\propto1/R_c^β$与$β\approx1$。然后我们将其与理论模型进行比较。我们研究了一大类轻标量暗物质模型,由一些潜在的$V$。为了简单起见,我们采取的标量是复杂的全球$U(1)$对称性,以方便地组织解决方案的一个保守的粒子数。然而,我们期望我们的中心结论即使对于实标量也是成立的,而且,复标量在非相对论极限中与实标量的行为相匹配,这是标准的感兴趣区域。对于任何潜在的$V$,我们发现之间的关系$ρ_c$和$R_c$基态解决方案总是在以下制度之一:(i)$β\gg1$,或(ii)$β\ll1$,或(iii)不稳定,所以它从来没有匹配的数据。我们也发现类似的结论维里化的暗物质,更一般的标量场理论,简并费米子暗物质,超流暗物质,和一般的多面体。我们的结论是,核心尖点问题的解决方案更可能是由于复杂的重子效应或…
2018-09-17 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Inflaton Clusters and Inflaton Stars
在一个广泛的类的情况下,通货膨胀之后是一个延长的时代的物质占主导地位的膨胀,在此期间的暴胀子凝聚物是非相对论性的亚地平线尺度。在这个阶段,密度扰动增长到非线性点,并崩溃成束缚结构。这个时期非常类似于超轻轴子状粒子的结构形成。这种平行使我们能够适应宇宙结构形成的研究结果来描述这个后暴胀时代的非线性动力学。我们发现,暴胀子凝聚成“暴胀子集群”,类似物的轴子暗物质晕在当今的宇宙学。此外,在这些星团内部可以形成孤立子天体或“暴胀子星”,导致在后暴胀宇宙中的密度差达到$10^6$。
2020-05-12 astro-ph.CO hep-th
Ultralight Repulsive Dark Matter and BEC
超轻纯量暗物质的质量等于或低于eV标度,并且由于排斥性自相互作用而产生压力,这些物质可以在早期宇宙中形成玻色-爱因斯坦凝聚体,或许在星系中也是如此。它被认为是一个可能的解决方案的尖点/核心问题,甚至解释MOND现象。本文从粒子物理的角度出发,对超轻标量暗物质可能存在的自相互作用进行了研究。为了保护它的质量,标量暗物质被认为是一种伪南武-戈德斯通玻色子(pNGB)。许多具有不同势能的pNGB模型,如QCD轴子和量子介子,都能产生吸引的自相互作用。然而,如果一个轴子是一个五维规范U(1)对称的残余,它的自相互作用可能是排斥的,只要贡献给它的势的五维物质的质量和电荷满足某些约束。集体对称性破缺也可能导致排斥性的自相互作用,但其强度太大,被子弹团约束排除在外。我还讨论了宇宙学和天体物理学的超轻排斥暗物质的参数化粒子物理学的考虑。
2016-04-15 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Constraining Axion Dark Matter with Galactic-Centre Resonant Dynamics
University of Oxford(牛津大学)
通过研究银河系中心共振动力学约束轴子暗物质质量范围
2025-11-22 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Ghostly Galaxies as Solitons of Bose-Einstein Dark Matter
普通矮星系的巨大暗核无法用标准的重粒子解释暗物质。这一谜题因发现一个非常大但几乎不可见的、以暗物质为主的Antlia II星系而加剧,该星系是通过{ \t Gaia}卫星跟踪恒星运动而发现的。虽然Antlia II的质量很低,但它的可见半径是任何已知矮星系的两倍多,具有前所未有的低密度核心。我们发现Antlia II有利于暗物质作为一个玻色-爱因斯坦凝聚体,其中的基态是一个稳定的孤子的核心半径由德布罗意波长。星系质量越低,德布罗意波长越大,所以质量最小的星系应该有最宽的孤子核心和最低的密度。超轻玻色子为$m_ψ\sim 1.1 \times10^{-22}$ eV,很好地解释了Antlia II中大尺寸和缓慢移动的恒星,并与来自更大质量矮星系致密核心的玻色子质量估计一致。对于这个非常轻的玻色子,Antlia II接近于不确定原理所允许的星系形成的下限Jeans尺度,因此预计会有其他例子,但没有一个在尺寸上明显更大。对矮星系令人困惑的暗核心的这种简单解释意味着暗物质是一种超轻玻色子,就像弦论中的轴子一样。
2020-03-25 astro-ph.CO astro-ph.GA
An attractive model: simulating fuzzy dark matter with attractive self-interactions
本文通过数值模拟研究具有吸引自相互作用的模糊暗物质晕,发现自相互作用强度影响孤子密度剖面和质量,并提出推广公式及孤子坍缩的临界质量阈值。
2024-02-26 astro-ph.CO astro-ph.GA
Solitons and halos for self-interacting scalar dark matter
该研究针对标量场暗物质场景,通过数值模拟与动力学理论,分析了半经典区域内自相互作用暗晕中孤子的形成演化规律及增长速率,指出宇宙学暗晕的孤子质量离散性取决于其并合历史。
2024-02-06 astro-ph.CO
Schrödinger-Poisson Solitons: Perturbation Theory
自引力量子物质可能存在于从非常早期的宇宙到现在的玻色子星的宇宙学和天体物理学环境中。这样的量子物质出现在许多不同的理论中,包括佩西-奎因轴子和超轻(ULDM)或模糊(FDM)暗物质场景。我们考虑球对称孤子扰动的动力学演化,薛定谔-泊松系统的基态解与所有这些情形相同。我们构造了薛定谔方程的本征态,保持引力势固定在它的基态值。我们看到,本征态定性捕获在完整的ULDM模拟中看到的属性,包括孤子的“呼吸”模式,随机行走的孤子中心,和四极扭曲的孤子。然后,我们表明,时间演化的引力势和它的影响,可以很好地描述的框架内的含时微扰理论。应用我们的形式主义的合成ULDM晕揭示了相当大的混合本征态,即使整体密度分布是相对稳定的。我们的研究结果提供了一个新的分析方法来理解这些系统的演变,以及更快的近似模拟的可能性。
2022-04-15 astro-ph.CO
Formation of solitons and their transitions in scalar-field dark matter models with a non-polynomial self-interaction potential
本研究针对带非多项式自相互作用势的标量场暗物质,分析半经典区域内孤子的形成与类型转变机制,揭示次主导自相互作用的关键触发作用,并指出流体力学直观在波动效应显著区域的局限性。
2024-12-03 astro-ph.CO
Wave Dark Matter and Ultra Diffuse Galaxies
作为玻色-爱因斯坦凝聚体的暗物质,例如弦论的轴子标量场粒子,可以解释大尺度上暗物质的冷性。在这方面的开创性模拟预测了丰富的波状结构,在每个星系中的基态孤子核心周围的激发态的光环,干扰德布罗意尺度。德布罗意尺度在低质量星系中是最大的,因为动量较低,这为矮球状星系的宽核提供了一个简单的解释。在这里,我们扩展这些“波暗物质“($ψ$ DM)的预测,新发现的类“超扩散星系”(UDG),类似于矮球状星系,但更广泛的恒星配置文件。目前最好的研究的例子,DF 44,有一个均匀的速度色散$\simeq 33$公里/秒,延伸到至少3千秒差距,我们表明是重现我们的$ψ$ DM模拟与孤子半径为$\simeq 0.5$千秒差距。在$ψ$ DM的背景下,我们显示了相对平坦的色散分布DF 44之间的大质量星系的紧凑密集的孤子,可能存在于银河系的规模为100 pc和较低的质量星系的速度色散下降中心内的一个广泛的,低密度的孤子,如Antlia II,半径为3千秒差距。
2021-03-31 astro-ph.CO astro-ph.GA
Soliton Formation and the Core-Halo Mass Relation: An Eigenstate Perspective
本研究从本征态视角分析超轻暗物质晕的孤子核-晕质量关系,通过三类并合模拟对比本征态分离法与拟合法的差异,发现不存在普适核-晕质量关系,解释了过往文献结果的分歧。
2023-04-28 astro-ph.CO
Testing the Prediction of Fuzzy Dark Matter Theory in the Milky Way Center
模糊暗物质模型(FDM,也称为量子波暗物质模型)认为,质量为$\sim10^{-22}{\;{\rm eV}}$的轻玻色子是宇宙中暗物质的可能候选者。FDM最重要的预言之一是在星系中心形成孤子核而不是密度尖点。如果FDM是暗物质的正确理论,那么预测的孤子核心可以帮助形成银河系中的中央分子带(CMZ)。我们提出了高分辨率的流体动力学模拟的气体流动模式,以限制基于现实的银河系潜力的孤子核心的属性。我们发现,一个致密的中心是需要形成一个合理的CMZ。CMZ的大小和运动学对银河系内部封闭的质量分布提供了相对较强的约束。如果不考虑孤立子核,一个紧凑的核隆起单独与径向变化的质光比可以匹配所观察到的CMZ的大小和运动学。一个质量为$\approx4.0\times10^8{\; {\rm M}_{\odot}}$、核半径为$\approx0.05{\;{\rm kpc}}$的孤子核模型,以及一个质量较小、质光比恒定的核凸起,也与目前的数据很好地吻合。这样一个FDM孤子核心对应于一个玻色子质量为$\sim2-7\times10^{-22}{\;{\rm eV}}$,这可能会进一步受到银河系中心质光比的改进测定的限制。
2020-01-02 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Chern-Simons Induced Thermal Friction on Axion Domain Walls
本文利用线性响应方法研究了包含 Chern-Simons 相互作用的轴子电动力学模型中畴壁在相对论性热等离子体中受到的热摩擦,纠正了薄壁极限下的以往表达式,并探讨了早期宇宙中相干磁场效应及对畴壁演化、引力波和原初黑洞产生的影响。
2024-11-12 astro-ph.CO hep-ph hep-th