触发电子捕获超新星：超渐近巨星分支星中类似简并白矮星核心的暗物质效应

《Journal of High Energy Astrophysics》：Triggering electron capture supernovae: Dark matter effects in degenerate white-dwarf-like cores of super-asymptotic giant branch stars

电子捕获超新星（ECSNe）的形成受暗物质影响，费米子型异常暗物质（ADM）通过降低WD核心的电子捕获临界质量，使低质量WD（约0.8-1.2倍太阳质量）触发ECSNe并形成低质量中子星（<1.25倍太阳质量）。数值模拟显示ADM存在使中子星引力质量下限降低至现有观测极限以下，且转换能量随ADM质量分数增加而显著减少，为暗物质探测提供新途径。

　　电子捕获超新星（ECSNe）作为形成低质量中子星的途径，近年来在理论和观测两个方面都取得了重要进展。ECSNe的形成机制主要依赖于中等质量恒星在演化末期形成的强电子简并核心，这些核心通常由氧、氖和镁等元素组成。随着恒星逐渐失去外层物质，其核心质量增加，最终达到临界值时，电子捕获过程会引发剧烈的核反应，导致超新星爆发。这种爆发不同于典型的Ia型超新星，因为它不依赖于碳氧燃烧，而是以电子捕获为主要触发机制。这一机制在某些情况下可能形成中子星，也可能导致完全的恒星破坏，具体取决于核心的初始条件和外部环境。

近年来，超新星SN 2018zd被确认为首个明确的ECSN案例，为研究电子捕获过程提供了重要的观测依据。SN 2018zd表现出与ECSN模型一致的特征，包括超渐近巨星分支（SAGB）的前身星、富含核燃烧产物的星周物质、低能量的爆炸以及独特的核合成信号。这一发现不仅验证了ECSN理论模型的可靠性，也为理解超新星机制和中等质量恒星的最终演化阶段提供了新的视角。

在宇宙学和天体物理学领域，暗物质（DM）仍然是一个未解之谜。尽管爱因斯坦的广义相对论在描述宇宙结构和星系动力学方面取得了巨大成功，但其无法解释观测到的星系和星团的运动，除非引入一个非发光的暗物质成分。暗物质在宇宙中占据了大约26%的总能量密度，远高于普通重子物质的5%。尽管暗物质缺乏直接的电磁相互作用，但其引力效应在多个尺度上得到了广泛验证，从星系旋转曲线到宇宙微波背景（CMB）和大尺度结构形成。然而，由于暗物质与普通物质的相互作用极其微弱，直接探测实验仍然面临巨大挑战。间接探测方法，如寻找暗物质湮灭或衰变的信号，也尚未取得突破性成果。

中子星和白矮星作为极端密度的天体，为研究暗物质提供了独特的实验平台。中子星的高密度和强引力场使其成为捕获暗物质的高效场所，而白矮星的简并态特性也可能影响其结构和演化。暗物质在中子星中的积累可能影响其质量、半径、质量剥离频率等结构参数，甚至可能引发新的坍缩机制。这些影响为暗物质的性质提供了间接但关键的约束。此外，暗物质在早期宇宙中的作用，如宇宙暴胀、重子生成和相变等，仍然是宇宙学研究中的一个重要问题。如果暗物质与超越标准模型的其他粒子相互作用，其效应可能体现在宇宙微波背景、大尺度结构形成或第一性原理相变引发的引力波信号中。

随着实验技术的进步，结合天体物理、宇宙学和粒子物理的多信使方法正在成为研究暗物质性质的重要手段。中子星因其高密度和强引力场，成为暗物质研究的热点之一。它们的低温特性也使其成为热探测器的理想候选。早期的研究主要集中在暗物质在中子星中的捕获和热弛豫过程，而近年来的研究则关注暗物质与标准模型粒子的散射过程如何导致中子星的异常加热。这种效应可能通过下一代红外望远镜如三十米望远镜（TMT）和极大望远镜（ELT）进行观测，其灵敏度可能达到地球附近100秒差距内的中子星。此外，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）和射电望远镜如FAST、CHIME和SKA也可能通过识别具有异常热发射的孤立中子星，为暗物质的研究提供新的线索。

尽管中子星已被广泛用于暗物质研究，但白矮星同样提供了重要的研究途径。暗物质在白矮星中的相互作用可能通过多种机制表现出来，包括暗物质湮灭导致的额外加热、暗物质引力作用引发的黑洞形成、可能触发的热核爆炸，或如果暗物质显著增加白矮星质量，可能引起的结构变化。这些不同的效应使得白矮星成为研究暗物质的有力补充工具，为暗物质的性质提供了额外的约束。

本研究的目的是通过电子捕获超新星（ECSN）的途径，探讨暗物质对白矮星向中子星演化的影响。我们选择富含氖的白矮星（Ne WDs）作为初始的天体配置，因为它们在ECSN的形成过程中扮演了重要角色。ONeMg核心接近钱德拉塞克哈质量时，电子捕获过程会引发核心坍缩，从而形成中子星。在我们的分析中，我们假设白矮星核心由单一的离子物种组成，即X，其中A和Z分别表示质量数和原子序数。这一假设简化了模型，使我们能够更清晰地研究暗物质对白矮星结构和演化的影响。

我们采用了一种基于广义相对论的两流体模型，用于描述普通物质（OM）和暗物质（ADM）的耦合演化。这一模型考虑了普通物质和暗物质作为独立的守恒流体，仅通过引力相互作用。通过这种模型，我们能够更准确地模拟白矮星核心在电子捕获过程中的行为，以及其演化为中子星的机制。我们的研究发现，暗物质的引入显著增加了白矮星核心的中心密度，这降低了触发电子捕获所需的临界质量，使得低质量的前身星也能发生电子捕获超新星。形成的中子星残骸具有稳定的结构，且可能具有低于传统中子星模型预测的最小质量的引力质量。

此外，我们的研究还发现，在白矮星向中子星的转换过程中，暗物质粒子的质量和比例对转换能量有显著影响。更高的暗物质粒子质量和比例会导致转换能量的减少，这可能意味着低能量的ECSN事件可以作为暗物质参与恒星坍缩的潜在指标。这一发现不仅对理解ECSN的机制具有重要意义，也为暗物质的性质研究提供了新的线索。

本研究的结构如下。在第二部分，我们将介绍白矮星和中子星的方程状态（EOS），包括晶格修正和电子捕获阈值。我们还将描述暗物质掺杂的紧凑天体的结构方程。在第三部分，我们将讨论我们的数值结果。最后，在第四部分，我们将总结我们的发现，并强调本研究的关键意义。

通过本研究，我们希望揭示暗物质在电子捕获超新星形成过程中的潜在作用。电子捕获超新星的机制和其形成的中子星残骸可能为暗物质的性质提供重要的线索。我们的研究不仅深化了对ECSN的理解，也为暗物质的研究提供了新的视角。随着观测技术的不断进步，结合多信使方法的研究将有助于揭示暗物质的本质。