Solitons and halos for self-interacting scalar dark matter

Abstract

Este artículo estudia la formación y evolución de solitones en modelos de materia oscura escalar con autointeracciones repulsivas. Mediante simulaciones numéricas en tres dimensiones basadas en la ecuación de Schrödinger-Poisson, se analiza cómo surgen estos solitones dentro de halos más extensos. Los resultados muestran que, cuando el tamaño del sistema es comparable a la escala de Jeans asociada a las autointeracciones, se forma rápidamente un solitón central que puede contener hasta el 50% de la masa total. En halos más grandes, la formación depende de la densidad central y puede requerir más tiempo. Se observa además que los solitones son estructuras robustas que crecen lentamente. El estudio se complementa con una teoría cinética que explica la tasa de crecimiento de los solitones y su dependencia de las condiciones iniciales del halo.

We study the formation and evolution of solitons supported by repulsive self-interactions inside extended halos, for scalar-field dark matter scenarios. We focus on the semiclassical regime where the quantum pressure is typically much smaller than the self-interactions. We present numerical simulations with initial conditions where the halo is described by the WKB approximation. We find that when the system size is comparable to the Jeans length, a central soliton quickly forms and contains about half of the total mass. For larger halos, soliton formation depends on the central density and may take longer. Solitons appear robust and grow slowly. We also develop a kinetic theory to estimate soliton growth rates, showing their dependence on resonance effects and halo assembly history.