暗光子星：形成及其作为暗物质子结构的作用

如 Graham、Mardon 与 Rajendran 所示，任何在暴胀期间存在且具有非零质量的新矢量玻色子（‘暗光子’或‘Proca 玻色子’）都会在此时期由真空涨落自动产生，并可以构成全部或可观比例的观测暗物质密度。我们利用解析与数值研究证明，此类情形意味着一种极其丰富的暗物质子结构，纯粹源于引力相互作用与量子效应的交织。由于原初密度扰动的大小与量子压强相关的尺度之间存在显著的参数巧合，可观比例的暗物质不可避免地坍缩为引力束缚孤子，其为完全量子相干物体。这些‘暗光子星’或‘Proca 星’孤子的中心密度通常比局域背景暗物质密度大 $10^6$ 倍，其特征质量为 $10^{-16} M_\odot (10^{-5}{\rm eV}/m)^{3/2}$，其中 $m$ 为该矢量的质量。在孤子产生期间及之后，可比拟比例的能密度最初存储于长寿命准正态模式中，并随后由其辐射出去。此外，孤子被特征的‘模糊’暗物质晕包围，其中量子波样性质也相对于通常的维里化暗物质预期有所增强。质量比孤子大约 $\sim 10^5$ 倍的较低密度致密晕，在更大尺度上形成。我们认为，至少这些孤子很可能存活至今而不被潮汐瓦解。这一丰富的子结构——我们预期其也源于其他暗光子暗物质产生机制——开启了广泛的新直接探测与间接探测可能性，如我们在 companion paper 中所讨论。