Formation of solitons and their transitions in scalar-field dark matter models with a non-polynomial self-interaction potential.

Abstract

Este trabajo analiza la formación de solitones dentro de halos de materia oscura descritos mediante un campo escalar con un potencial de auto-interacción no polinómico. El potencial es cuártico en el régimen de baja densidad, pero se satura a densidades altas, reproduciendo el comportamiento de modelos de monodromía axiónica. Los autores estudian el régimen semiclásico, en el que la longitud de onda de de Broglie es mucho menor que el tamaño del sistema. Muestran que, según la intensidad y la escala de las auto-interacciones, pueden formarse solitones de tipo Thomas-Fermi o de materia oscura difusa, y que también pueden producirse transiciones entre ambos cuando el primero se vuelve inestable. Además, incluso auto-interacciones subdominantes pueden sembrar la formación tardía de solitones.

We study the formation of solitons inside scalar-field dark matter halos with a nonpolynomial self-interaction potential. We consider a self-interaction potential that is quartic in the scalar field in the low-density regime but saturates at large densities. This mimics the behavior of axion monodromy potentials. We concentrate on the semiclassical regime, where the de Broglie wavelength is much smaller than the size of the system. We find that depending on the strength and scale of the self-interactions, the system can form solitons of the Thomas-Fermi type or of the Fuzzy Dark Matter type. The system can also display transitions from a Thomas-Fermi soliton to a Fuzzy Dark Matter soliton as the former becomes unstable.