利用第一代恒星约束暗物质性质

暗物质（DM）可被任何恒星的引力场俘获，因为在致密环境中与原子核的碰撞可使 DM 粒子减速至低于恒星表面的逃逸速度（$v_{esc}$）。若被俘获，DM 粒子可发生自湮灭，从而为恒星提供新的能量来源。我们利用多次散射俘获形式体系，研究了第一代恒星[星族 III（Pop III）恒星]对 DM 粒子的俘获现象。Pop III 恒星是优良的 DM 俘获体，因为它们形成于富 DM 环境中，位于红移 $z\sim 15$ 处 $\sim 10^6 M_\odot$ DM 迷你晕的中心。假设 DM-质子散射截面（$\sigma$）处于 XENON1T 实验当前最深的排除极限，我们发现当 Pop III 恒星所在位置的环境 DM 密度（$\rho_X$）足够高时，Pop III 恒星核心处被俘获 DM 的湮灭可通过爱丁顿极限导致恒星质量的上限低至几 $M_\odot$。反之，当识别出 Pop III 恒星时，可利用其观测质量（$M_\star$）对 $\rho_X\sigma$ 给出限制。利用绝热收缩估算 Pop III 恒星周围环境的 DM 密度，我们对 $M_\star$ 在 $100-1000~M_\odot$ 范围内的 $\sigma$ 给出了预期上限，并发现对于自旋无关与自旋相关相互作用，在很宽的 DM 质量范围内，所得界限与当前最灵敏的直接探测实验相当或更深。最引人注目的是，我们发现质量 $M_\star \gtrsim 300 M_\odot$ 的 Pop III 恒星可用于探测低于“中微子地板”的自旋相关质子-DM 截面，即 DM 直接探测实验即将被中微子背景淹没的参数空间区域。