The concentration of X's in the cores of low-mass stars in advanced evolutionary stages

Summary

It has been suggested in a preceding paper that X's—massive (≈4m _p) elementary components of dark matter—have cross-sections for collisions with nucleons ≳2·10⁻³⁷ cm² and that in these collisions an appreciable fraction of the available energy can be emitted in the form of easily escaping «dark radiation». X's would steadily accrete onto stars and concentrate in their cores; an energy sinkL _x≈L _o could result from their presence in the core of a main-sequence star of mass≈1M _o. As the star evolves, the concentration of X's shrinks faster than the stellar core; at some time during the giant stage the central density of X's would grow higher than that of ordinary matter; after that time the concentration could not provide a stellar-energy sink any longer However, this undesirable clogging of the central energy sink is avoided if the X's are (non-Majorana) fermions, as we assume. On the other hand, the carriers of dark radiation should be the massless quanta of a pseudoscalar field strongly coupled to the Dirac field of the X's. The hypothesis of the X's would lead to a picture of the structure and evolution of lowmass stars quite different from the conventional picture; in particular, the central temperature of a red giant would be of some thousands of kelvins only; H-burning would provide the energy source of DA white dwarfs; the DA stage could be followed by the planetary or the non-DA stage. Different ways of testing the hypothesis of the X's are discussed in the last section of the paper.

Riassunto

Secondo l'ipotesi avanzata in un lavoro precedente gli X—componenti elementari della materia scura—hanno massa ≳4m _p e sezioni d'urto coi nucleoni ≳2·10⁻³⁷ cm²; una frazione apprezzabile dell'energia disponibile nel centro di massa è persa in tali urti sotto la forma di una, clusiva «radiazione scura». Nuovi X si aggregano continuamente a una stella; la, concentrazione degli X nelle vicinanze del centro di una stella della sequenza principale di massa 1M _o potrebbe causare una perdita di energiaL _x≈L _⊙. Durante levoluzione stellare il raggio della concentrazione degli X tende a decrescere piú rapidamente del raggio del nucleo stellare; a un certo punto la densità centrale degli X verrebbe a superare quella della materia ordinaria; a questo punto la perdita di energia verrebbe a cessare. Questo sviluppo, indesiderabile dal nostro punto di vista, non ha però luogo se gli X sono fermioni, come noi supponiamo. D'altra parte i componenti elementari della radiazione scura devono essere i quanti di un campo pseudoscalare fortemente accoppiato al campo degli X. Il quadro convenzionale dell'evoluzione di una stella di piccola massa è profondamente modificato dall'ipotesi degli X; per esempio, la temperatura al centro di una gigante rossa sarebbe di alcune migliaia di gradi soltanto; la combustione dell'idrogeno fornirebbe, la sorgente energetica delle nane bianche DA; lo stadio di nana bianca DA potrebbe essere seguito da quello di nana bianca non DA o da quello planetario. Possibili verifiche dell'ipotesi degli X sono considerate alla fine del lavoro.

Резюме

В предыдущей статье предполагалось, что X—массивные элементарные компоненты темного вещества—имеют поперечные сечения соударений с нуклонами ≳2·10⁻³⁷см² и что в этих соударениях значительная доля энергии может излучаться в виде легко ускользаущего «темного излучения». Х непрерывно аккретируют в звездах и концентрируются вблизи остовов: сток энергииL _x≈L _⊙ может быть результатом наличия Х в остове звезды с массой ≈1M _⊙. При эволюции звезды концентрация Х сжимается быстрее, чем звездный остов, в то же время в течение стадии гиганта центральная плотность Х может превысить плотность обыкновенного вещества; после этого концентрация не сможет обеспечить сток энергии звезды. Однако, препятствие для стока энергии звезды устраняются, если мы предположим, что Х являются фермионами. С другой стороны, носители «темного излучения» должны быть безмассовыми квантами псевдо-скалярного поля, сильно связанного с дираковским полем Х. Гипотеза Х приводит к картине структуры и зволюции звезд с малой массой, отличной от общепринятой картины: в частности, температура в центре красного гиганта может достигать только нескольких тысяч кельвинов, сгорание Н может дать источник энергии для DA белых карликов; за стадией DA может следовать планетная стадия или не-DA стадия. В последнем разделе статьи обсуждаются различные способы проверки гипотезы Х.