中子星作为限制暗物质的探针研究.doc

中子星作为限制暗物质的探针研究本文在第一章介绍了中子星的本身性质与特征、中子星家族的分类、中子星的结构和中子星与奇异夸克星的区别对比,并讨论了目前利用观测数据来限制中子星,包括中子星的最大质量及质量—半径关系、表面热辐射和极限旋转。通过星系旋转曲线、星系团的碰撞、引力透镜效应等观测以及宇宙大尺度结构的模拟表明了宇宙是存在暗物质的。本文在第二章介绍了三种银河系暗物质密度分布模型(NFW密度分布、Einasto密度分布和Burkert密度分布)、暗物质的主要候选者和暗物质探测现状(直接探测,间接探测和高能的大型加速器创造出暗物质)。随着地下探测器的升级以及探测截面灵敏度的提高,直接探测可以给出暗物质WIMP与核子散射截面的严格上限。弱相互作用重粒子(WIMP)是目前最流行的暗物质候选者之一。本文在第三章对暗物质WIMP影响中子星(普通中子星和奇异夸克星)热演化进行了研究。在中子星的热演化中,我们考虑了中子星吸积暗物质、暗物质热化以及暗物质湮灭和加热过程。不管是普通中子星还是奇异夸克星,它们演化到晚期(t>106106.5yr),暗物质湮灭加热与星体表面光子辐射冷却达到热平衡,都出现了表面温度平台Teq～ρdm1/4。利用中子星的热辐射可以限制非热产生的WIMPs的极小湮灭截面10-61-10-57cm2。对于NFW密度分布,在距离银河系中心10—4pc的中子星,其表面温度达到了3×105K。然而,WIMP-核子的弹性(非弹性)散射截面可以低于～10-45cm2,该截面比目前实验限制的还要低2个量级,所以利用中子星可以探测较小的WIMP-核子的弹性(非弹性)散射截面。微带电荷粒子是目前备受关注的暗物质的另一种候选者。微带电荷粒子超出了粒子物理标准模型,它所带的电荷可以是e’=εe(ε是任意实数,并且ε<1)。微带电荷粒子可以影响宇宙的标准图像,包括宇宙膨胀率、宇宙早期重子／光子比、宇宙微波背景辐射各向异性的功率谱等,甚至还可以解释星系和星系团的磁场种子的起源。目前,对微带电荷粒子的质量和电荷的限制主要来自于地面实验室限制、宇宙限制和天体演化限制。本文在第四章利用中子星的极限旋转周期对微带电荷粒子的质量和电荷进行了限制。对于中子星的旋转周期演化,在磁偶极辐射和GJ流制动的基础上,我们考虑了中子星吸积微带电荷粒子产生了额外的制动力矩,从而使星体旋转减慢。我们把日前正常脉冲星所观测到的最长周期8.51s(在2.72×108yr)作为中子星周期演化的截断,从而限制了微带电荷粒子的质量和电荷。对于典型的中子星(M=1.4M(?),R=10km),对微带电荷粒子的质量和电荷的限制为(1GeV/m)×≤2.52×10-2/cos2θ,该限制与目前实验和观测限制是一致的。