自引力标量场构型、超轻暗物质与星系尺度观测

在本论文中，我们探讨了暗物质由质量 $m \sim 10^{-22}\ \text{eV}$ 的超轻零自旋粒子构成的可能性。我们聚焦于自相互作用的作用，并假设与标准模型粒子的所有其他非引力耦合均可忽略。这类超轻暗物质（ULDM）预期会形成稳定的自引力标量场构型（孤子），其性质取决于粒子质量和自耦合 $\lambda$。利用 Gross-Pitaevskii-Poisson 方程的解，我们探索了星系尺度观测如何约束 $m$ 和 $\lambda$。我们证明，对星系中心区域所包含质量观测上限可以探测强度为 $\lambda \sim \pm 10^{-96} - 10^{-95}$ 的吸引和排斥自相互作用。我们进一步证明，对于 $m \sim 10^{-22}\ \text{eV}$ 和 $\lambda \gtrsim 10^{-90}$，自相互作用可以使 ULDM 描述观测到的旋转曲线，并满足低表面亮度星系中的经验孤子-晕质量关系。我们还研究了卫星矮星系中的潮汐效应，发现吸引性自相互作用可以将其寿命延长至宇宙学时间尺度，从而使 ULDM 能够规避最近针对无相互作用情形推导出的约束。最后，我们探索了基于机器学习从星系旋转曲线推断暗物质和重子参数的方法，表明神经网络能够恢复与观测一致的参数。