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中子星作为暗物质的探针

日期:2015-03-30 阅读:1163

信息来源:陈列文研究组

2015年2月20日,美国天文学会《天体物理杂志》【The Astrophysical Journal 800, 141 (2015)】报道了上海交通大学物理与天文系陈列文研究组的研究成果。陈列文和其指导的两名博士生郑皓和孙开佳基于古老中子星的天文观测,结合最新的非对称核物质状态方程的研究成果,约束了玻色子暗物质和质子的散射截面。结果表明,在低质量区(大约小于20GeV/c2),这一约束给出了关于这类暗物质目前最高的灵敏度,排除了所有声称发现了该类暗物质的实验报道。

大量的天文观测都指出了暗物质的存在。最新的Planck观测数据表明,暗物质占据了宇宙中总能量的27%左右。然而人们对暗物质的本性仍知之甚少。近年来,DAMA、CoGeNT、CDMS-II等地下暗物质直接探测实验指出暗物质粒子可能存在于质量约为数个GeV/c2的区间。然而,这一结果却被更新的实验(如XENON100、SuperCDMS、LUX等)结果所质疑。到目前为止,除了同位旋破缺暗物质等少数几种模型外,大部分理论模型都不能有效解释不同实验结果间的矛盾。另一方面,以中子星为代表的致密星体能够大量吸收周围的暗物质粒子,使其沉积在星体中心并可能最终形成黑洞而吞噬掉整个星体。然而长期的天文观测发现银河系中存在大量的古老中子星。这一矛盾暗示中子星并不能有效吸积暗物质粒子,即暗物质粒子与中子星内普通物质的碰撞截面不能太大,这为研究暗物质与普通物质的相互作用提供了一条可能的途径。

图:不同同位旋破缺因子(gnp)和对称能(MSL1/Lc92)情况下,中子星PSR B1257+12以及不同地下
直接探测实验对暗物质和质子碰撞截面的约束。

在过去关于中子星和暗物质相互作用的研究中,人们普遍假设中子星是由纯中子物质构成的均匀球体。这一极端简化的假设忽略了中子星的复杂结构和多种组分对计算结果的影响,尤其无法对最近提出的同位旋破缺暗物质模型进行检验。我系陈列文研究组首次使用真实的中子星模型来约束同位旋破缺暗物质与质子的散射截面。在计算中,他们假设中子星是由中子、质子、电子和μ子等处于β平衡且满足电中性条件的传统中子星物质组成,同时中子星的结构以及暗物质的吸积过程都基于广义相对论自洽决定。通过分析地球附近的古老中子星PSR B1257+12(见右图),他们发现在低质量区间(小于20 GeV/c2),这颗中子星的存在给出了关于无自相互作用非对称玻色子暗物质目前最高的灵敏度,排除了所有声称发现了该类暗物质的实验报道。

该项研究工作指出了中子星的内部结构对确定中子星与暗物质相互作用的重要性,为通过古老中子星的存在来准确约束暗物质和质子的散射截面提供了更为自洽的理论框架。研究结果对于探索暗物质的性质及其与质子的散射截面有重要参考价值。

该研究得到国家自然科学基金(11275125, 11135011)、科技部973项目(2015CB856904, 2013CB834405)、上海市科委(11DZ2260700)和上海市教委(11SG12)科研项目的支持。
 

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