Гало Бозе-конденсата темной материи с невырожденной компонентой

Бесплатный доступ

Галактическое гало темной материи рассматривается как слабо неидеальный разреженный Бозе-газ. Внутреннюю область гало занимает ядро, в котором одна часть бозонов образует конденсат Бозе-Эйнштейна, а другая остается в невырожденном состоянии. Невырожденная компонента описывается как газ элементарных возбуждений в приближении Хартри-Фока-Боголюбова, которое позволяет учесть весь энергетический спектр квазичастиц. Вокруг ядра находится облако неконденсированных бозонов. Численные решения уравнений, описывающие распределение плотности темной материи, показывают, что радиус гало может значительно меняться в зависимости от доли частиц в конденсате, в то время как размер самого конденсата остается практически постоянным. Когда размер конденсата сравним с размером гало, невырожденная компонента, из-за ограничения на отношение сечения рассеяния к массе частиц темной материи, не дает заметного вклада в профиль плотности и кривые вращения по сравнению с моделями, где гало целиком состоит из конденсата. Показано, что бозоны с массой ~ 100 эВ не нарушаютэтого ограничения, если образуют относительно небольшие «капли» конденсата (их радиус порядка 100 астрономических единиц) внутри гало, состоящего из неконденсированных частиц.

Еще

Темная материя, кривые вращения, конденсат бозе-эйнштейна, квазичастицы

Короткий адрес: https://sciup.org/142221693

IDR: 142221693   |   УДК: 524.68

Bose-condensed dark matter halos with non-degenerate component

A galactic halo of dark matter is considered as a weakly interacting dilute Bose gas. The halo involves a core, in which some bosons form Bose-Einstein condensate, while the others remain in the non-degenerate state. The non-degenerate component is described as a gas of elementary excitations in the Hartree-Fock-Bogolyubov approximation taking into account the overall quasiparticle energy spectrum. A cloud of non-condensed bosons surrounds the core. Numerical solutions to the equations describing a dark matter density distribution show that the halo radius grows significantly when the condensate particle number fraction decreases. At the same time the radius of the condensate core remains almost the same. If the halo has comparable-sized condensate core, the non-degenerate component gives only insignificant contributions to the dark matter density profile and rotation curves when confronted with the pure condensate models. This conclusion is caused by constraints on the scattering cross section to the mass of dark matter particles ratio obtained from the Bullet Cluster measurements. It is shown that bosons with masses ~ 100 eV do not violate these constraints if they form relatively small condensate “drops” (with a radius of about 100 astronomical units) inside a halo consisting of non-condensed particles.

Еще

Список литературы Гало Бозе-конденсата темной материи с невырожденной компонентой

  • Baldeschi M., Gelmini G., Ruffini R. On massive fermions and bosonsin galactic halos. Physics Letters B. 1983; vol. 122. № 3-4: S. 221-224
  • Sin S. J. Late-time phase transition and the galactic halo as a Bose liquid. Physical Review D. 1994; vol. 50. № 6: S. 3650
  • Lee J. W., Koh I. G. Galactic halos as boson stars. Physical Review D. 1996; vol. 53. № 4: S. 2236
  • Guzman F. S., Matos T., Villegas H. Scalar fields as dark matter in spiral galaxies: comparison with experiments. Astronomische Nachrichten: News in Astronomy and Astrophysics. 1999; vol. 320. № 3: S. 97- 104
  • Arbey A., Lesgourgues J., Salati P. Galactic halos of fluid dark matter. Physical Review D. 2003; vol. 68. № 2: S. 023511
  • Boehmer C., Harko T. Can dark matter be a Bose-Einstein condensate? Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2007; vol. 2007. № 06: S. 025
  • Lee J. W., Lim S. Minimum mass of galaxies from BEC or scalar field dark matter. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2010; vol. 2010. № 01: S. 007
  • Chavanis P. H. Mass-radius relation of newtonian self-gravitating Bose-Einstein condensates with short-range interactions. I. Analytical results. Physical Review D. 2011; vol. 84. № 4: S. 043531. http://arxiv.org/abs/1103.2050v2
  • Rindler-Daller T., Shapiro P. R. Angular momentum and vortex formation in Bose-Einstein-condensed cold dark matter haloes. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2012; vol. 422. № 1: S. 135-161
  • Harko T., Madarassy E. J. Finite temperature effects in Bose-Einstein condensed dark matter halos. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2012; vol. 2012. № 01: S. 020
  • Slepian Z., Goodman J. Ruling out bosonic repulsive dark matter in thermal equilibrium. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2012; vol. 427. № 1: S. 839-849
  • Zhang X., Chan M., Harko T., et al. Slowly rotating Bose-Einstein condensate galactic dark matter halos, and their rotation curves. The European Physical Journal C. 2018; vol. 78: S. 1-20
  • Боголюбов Н.Н., Боголюбов Н.Н. (мл.). Введение в квантовую статистическую механику. М.: Наука, 1984. 384 с
  • Hutchinson D., Zaremba E., Griffin A. Finite temperature excitations of a trapped Bose gas. Physical Review Letters. 1997; vol. 78. № 10: S. 1842. http://arxiv.org/abs/cond-mat/9611023v1
  • Proukakis N.P., Morgan S.A., Choi S., Burnett K. Comparison of gapless mean-field theories for trapped Bose-Einstein condensates. Physical Review A. 1998; vol. 58. № 3: S. 2435
  • Dalfovo F., Giorgini S., Pitaevskii L.P., Stringari S. Theory of Bose-Einstein condensation in trapped gases. Reviews of Modern Physics. 1999; vol. 71. № 3: S. 463
  • Griffin A., Nikuni T., Zaremba E. Bose-condensed gases at finite temperatures. Cambridge University Press; 2009. 462 S
  • Yukalov V. Basics of Bose-Einstein condensation. Physics of Particles and Nuclei. 2011; vol. 42. № 3: S. 460- 513. http://arxiv.org/abs/1105.4992v1
  • Yukalov V. Representative ensembles in statistical mechanics. International Journal of Modern Physics B. 2007; vol. 21. № 01: S. 69-86. http://arxiv.org/abs/0704.1089v1
  • Gross E. P. Structure of a quantized vortex in boson systems. Il Nuovo Cimento (1955-1965). 1961; vol. 20. № 3: S. 454-477
  • Питаевский Л. П. Вихревые нити в неидеальном Бозе-газе. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1961. T. 40. № 2. C. 646-651
  • Hugenholtz N., Pines D. Ground-state energy and excitation spectrum of a system of interacting bosons. Physical Review. 1959; vol. 116. № 3: S. 489
  • Беляев С. Т. Энергетический спектр неидеального Бозе-газа. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1958. T. 34. № 2. C. 433-446
  • Fedichev P., Shlyapnikov G. Finite-temperature perturbation theory for a spatially inhomogeneous Bose-condensed gas. Physical Review A. 1998; vol. 58. № 4: S. 3146. http://arxiv.org/abs/cond-mat/9805015v2
  • Зельдович Б. Я., Блинников C. И., Шакура Н. И. Физические основы строения и эволюции звезд. М.: МГУ, 1981. 150 с
  • Dokkum P., Abraham R., Merritt A., et al. Forty-seven milky way-sized, extremely diffuse galaxies in the coma cluster. The Astrophysical Journal. 2015; vol. 798. № 2: S. 45
  • Dwornik M., Keresztes Z., Kun E., Gergely L. Bose-Einstein condensate dark matter halos confronted with galactic rotation curves. Advances in High Energy Physics. 2017; vol. 2017. http://arxiv.org/abs/1406.0388v4
  • Randall S., Markevitch M., Clowe D., et al. Constraints on the self-interaction cross-section of dark matter from numerical simulations of the merging galaxy cluster 1E 0657-5. The Astrophysical Journal. 2008; vol. 679. № 2: S. 1173
  • Strigari L., Bullock J., Kaplinghat M., et al. A common mass scale for satellite galaxies of the milky way. Nature. 2008; vol. 454. № 7208: S. 1096
  • Bradaˇc M., Allen S., Treu T., et al. Revealing the properties of dark matter in the merging cluster MACS J0025.4-1222. The Astrophysical Journal. 2008; vol. 687. № 2: S. 959. http://arxiv.org/abs/0806.2320v2
  • Kaup D.J. Klein-Gordon Geon. Physical Review. 1968; vol. 172. № 5: S. 1331
  • Levkov D., Panin A., Tkachev I. Gravitational Bose-Einstein condensation in the kinetic regime. Physical Review Letters. 2018; vol. 121. № 15: S. 151301. http://arxiv.org/abs/1804.05857v2
Еще