Ультралёгкие скаляры как космологическая тёмная материя

Многие аспекты крупномасштабной структуры Вселенной успешно описываются космологическими моделями, в которых 27 ± 1% критической плотности массы-энергии приходится на холодную тёмную материю (CDM). Однако лишь немногие — если вообще какие-либо — предсказания моделей CDM оказываются успешными на масштабах порядка 10 кпк и менее. Обычно эту проблему объясняют сложностью моделирования барионной физики (звездообразования, обратной связи от сверхновых и чёрных дыр и т. д.). Интригующей альтернативой CDM является предположение о том, что тёмная материя представляет собой чрезвычайно лёгкий бозон (m ~ 10^-22 эВ) с длиной волны де Бройля λ ~ 1 кпк; такую материю часто называют нечёткой тёмной материей (FDM). Мы описываем аргументы физики частиц, мотивирующие гипотезу FDM, рассматриваем предыдущие исследования её астрофизических проявлений и анализируем несколько ранее не изученных аспектов её поведения. В частности, (i) гало или субгало FDM с массой менее примерно 10^7(m/10^-22 эВ)^-3/2 M☉ не формируются, а число гало с массой менее нескольких 10^10(m/10^-22 эВ)^-4/3 M☉ существенно меньше в FDM, чем в CDM. (ii) Гало FDM состоят из центрального ядра, являющегося стационарным решением уравнения Шрёдингера–Пуассона с минимальной энергией и иногда называемого «солитоном», окружённого оболочкой, напоминающей гало CDM. Солитон может создавать характерный признак на кривых вращения систем, в которых преобладает FDM. (iii) переход между солитоном и оболочкой определяется процессом релаксации, аналогичным двухчастичной релаксации в гравитирующих N-телных системах; этот процесс протекает так, как если бы гало состояло из частиц с массой ~ρλ^3...