耦合轴子扇区中的非微扰结构及其对直接探测的启示

具有相近质量的错位产生轴子对会经历非线性共振，从而增强轴子暗物质的直接探测与天体物理信号。在大部分相关参数空间中，自相互作用导致轴子涨落变为非微扰并在早期宇宙中坍缩。我们用 $3+1$ 维模拟研究这一“友好轴子”情景中非微扰结构的观测后果。关键的是，在相当大一部分参数空间中，我们发现非线性动力学起到平衡两种轴子丰度的作用，使实验确认共振轴子对的存在比此前预期更容易。我们还计算了友好轴子暗物质的引力波发射；虽然对于高于 $10^{-22} \, \text{eV}$ 的轴子质量，由此产生的随机背景可能不可探测，但宇宙微波背景的偏振确实约束了可能的超轻友好子成分。最后，我们证明在强非线性期间形成的、由自相互作用束缚的致密 oscillon 被均匀轴子背景驱动，使其寿命超出真空中的预期。