中子星作為限制暗物質(zhì)的探針研究.pdf

1、本文在第一章介紹了中子星的本身性質(zhì)與特征、中子星家族的分類、中子星的結(jié)構(gòu)和中子星與奇異夸克星的區(qū)別對(duì)比，并討論了目前利用觀測數(shù)據(jù)來限制中子星，包括中子星的最大質(zhì)量及質(zhì)量—半徑關(guān)系、表面熱輻射和極限旋轉(zhuǎn)。
　　通過星系旋轉(zhuǎn)曲線、星系團(tuán)的碰撞、引力透鏡效應(yīng)等觀測以及宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的模擬表明了宇宙是存在暗物質(zhì)的。本文在第二章介紹了三種銀河系暗物質(zhì)密度分布模型（NFW密度分布、Einasto密度分布和Burkert密度分布）、暗物質(zhì)的主要

2、候選者和暗物質(zhì)探測現(xiàn)狀（直接探測，間接探測和高能的大型加速器創(chuàng)造出暗物質(zhì)）。隨著地下探測器的升級(jí)以及探測截面靈敏度的提高，直接探測可以給出暗物質(zhì)WIMP與核子散射截面的嚴(yán)格上限。
　　弱相互作用重粒子(WIMP)是目前最流行的暗物質(zhì)候選者之一。本文在第三章對(duì)暗物質(zhì)WIMP影響中子星（普通中子星和奇異夸克星）熱演化進(jìn)行了研究。在中子星的熱演化中，我們考慮了中子星吸積暗物質(zhì)、暗物質(zhì)熱化以及暗物質(zhì)湮滅和加熱過程。不管是普通中子星還是奇異

3、夸克星，它們演化到晚期（t(≥)106.5yr），暗物質(zhì)湮滅加熱與星體表面光子輻射冷卻達(dá)到熱平衡，都出現(xiàn)了表面溫度平臺(tái)Tcq～ρ1/4dm。利用中子星的熱輻射可以限制非熱產(chǎn)生的WIMPs的極小湮滅截面10-61-10-57 cm2。對(duì)于NFW密度分布，在距離銀河系中心10-4 pc的中子星，其表面溫度達(dá)到了3×105 K。然而，WIMP-核子的彈性（非彈性）散射截面可以低于～10-45 cm2，該截面比目前實(shí)驗(yàn)限制的還要低2個(gè)量級(jí)，所以

4、利用中子星可以探測較小的WIMP-核子的彈性（非彈性）散射截面。
　　微帶電荷粒子是目前備受關(guān)注的暗物質(zhì)的另一種候選者。微帶電荷粒子超出了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，它所帶的電荷可以是e'=(∈)e（(∈)是任意實(shí)數(shù)，并且(∈)＜1）。微帶電荷粒子可以影響宇宙的標(biāo)準(zhǔn)圖像，包括宇宙膨脹率、宇宙早期重子/光子比、宇宙微波背景輻射各向異性的功率譜等，甚至還可以解釋星系和星系團(tuán)的磁場種子的起源。目前，對(duì)微帶電荷粒子的質(zhì)量和電荷的限制主要來自于地面實(shí)

5、驗(yàn)室限制、宇宙限制和天體演化限制。本文在第四章利用中子星的極限旋轉(zhuǎn)周期對(duì)微帶電荷粒子的質(zhì)量和電荷進(jìn)行了限制。對(duì)于中子星的旋轉(zhuǎn)周期演化，在磁偶極輻射和GJ流制動(dòng)的基礎(chǔ)上，我們考慮了中子星吸積微帶電荷粒子產(chǎn)生了額外的制動(dòng)力矩，從而使星體旋轉(zhuǎn)減慢。我們把目前正常脈沖星所觀測到的最長周期8.51s（在2.72×108yr）作為中子星周期演化的截?cái)?，從而限制了微帶電荷粒子的質(zhì)量和電荷。對(duì)于典型的中子星（M=1.4 M☉，R=10km），對(duì)微帶電荷