[論文レビュー] Exploring delaying and heating effects on the 21-cm signature of fuzzy dark matter

Debanjan Sarkar, Jordan Flitter+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2022

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ひとこと要約

本稿では、CLASSとインターフェースされた修正版21cmvFASTコードを用いて、FDM宇宙論における21cmグローバルシグナルをモデリングし、相対速度、Lyman-Wernerフィードバック、Lyman-α/CMB加熱効果を組み込む。HERAは、前向きなforeground状況ではFDM粒子質量10⁻¹⁸ eVまで検出可能であり、現実的な状況では10⁻¹⁹ eVまで可能であるが、信号を弱める遅延および加熱メカニズムがあるため、その範囲は制限される。

ABSTRACT

In the fuzzy dark matter (FDM) model, dark matter is composed of ultra-light particles with a de Broglie wavelength of $\sim$kpc, above which it behaves like cold dark matter (CDM). Due to this, FDM suppresses the growth of structure on small scales, which delays the onset of the cosmic dawn (CD) and the subsequent epoch of reionization (EoR). This leaves potential signatures in the sky averaged 21-cm signal (global), as well as in the 21-cm fluctuations, which can be sought for with ongoing and future 21-cm global and intensity mapping experiments. To do so reliably, it is crucial to include effects such as the dark-matter/baryon relative velocity and Lyman-Werner star-formation feedback, which also act as delaying mechanisms, as well as CMB and \lya heating effects, which can significantly change the amplitude and timing of the signal, depending on the strength of X-ray heating sourced by the remnants of the first stars. Here we model the 21-cm signal in FDM cosmologies across CD and EoR using a modified version of the public code 21cmvFAST that accounts for all these additional effects, and is directly interfaced with the Boltzmann code CLASS so that degeneracies between cosmological and astrophysical parameters can be fully explored. We examine the prospects to distinguish between the CDM and FDM models and forecast joint astrophysical, cosmological and FDM parameter constraints achievable with intensity mapping experiments such as HERA and global signal experiments like EDGES. We find that HERA will be able to detect FDM particle masses up to $m_{ m FDM}\! \sim \!10^{-19}\,{ m eV}\!-\!10^{-18}\,{ m eV}$, depending on foreground assumptions, despite the mitigating effect of the delaying and heating mechanisms included in the analysis.

研究の動機と目的

• FDMが宇宙の夜明けおよび再電離期における21cmグローバルシグナルおよび揺動に与える影響を調査すること。
• バリオンとダークマターの間の相対速度およびLyman-Wernerフィードバックといった、主要な天体物理学的遅延メカニズムがFDMモデルにおける21cmシグナルに与える影響を評価すること。
• Lyman-αおよびCMB加熱が、FDMおよびCDMシナリオにおけるシグナルの振幅とタイミングに与える影響を評価すること。
• 将来の21cm実験（HERAやEDGESなど）を用いた、FDM、天体物理学的、および宇宙論的パラメータの共同制約を予測すること。
• CLASSと21cmvFASTの直接的インターフェースにより、CMBおよび21cmパラメータの整合的かつ一貫した制約を可能にすること。

提案手法

• 相対速度効果、Lyman-Wernerフィードバック、Lyman-αおよびCMB加熱メカニズムを組み込んだ、公開済みの21cmvFASTコードを修正した。
• 修正版21cmvFASTコードをCLASSボルツマンコードと統合し、再結合以前からの一貫した宇宙の進化を保証した。
• 各宇宙論的モデルに対して赤方偏移依存の相対速度効果およびフィードバックパラメータを計算し、21cmシミュレーションへの正確な入力を確保した。
• 修正コードを用いて、さまざまな粒子質量を持つFDM宇宙論における宇宙の夜明けおよび再電離期の21cmシグナル実現を生成した。
• HERAおよびEDGESからのシミュレートデータを用いて、foreground不確実性を考慮した共同パラメータ予測を実施した。
• フルスカイおよびグローバルシグナルモデリングを通じて、FDM、天体物理学的、および宇宙論的パラメータ間のデゲネラシーを調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対速度およびLyman-Wernerフィードバックは、CDMと比較してFDM宇宙論における21cmシグナルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 Lyman-αおよびCMB加熱メカニズムは、FDMモデルにおける21cmシグナルの振幅とタイミングをどの程度変化させるか？
• RQ3 これらの追加的な物理的効果を考慮した場合、将来の強度マッピング（HERA）およびグローバルシグナル（EDGES）実験がFDMとCDMを区別できるか？
• RQ4 21cmデータを用いて、FDM粒子質量、X線加熱効率、およびその他の天体物理学的パラメータの共同制約はどの程度達成可能か？
• RQ5 FDM、X線加熱、およびその他の天体物理学的パラメータ間のデゲネラシーは、21cm観測によるFDM検出可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• HERAは、前向きなforeground状況ではFDM粒子質量10⁻¹⁸ eVまで検出可能である。
• より現実的なforeground条件では、HERAの感度はおおよそ10⁻¹⁹ eVまで延びる。
• 遅延および加熱メカニズムを組み込むことで、これらの効果がないモデルと比較して、検出可能なFDM質量範囲は約1桁小さくなる。
• Lyman-αおよびCMB加熱は、特にX線加熱が非効率な場合、シグナルの振幅とタイミングに顕著な影響を与える。
• CLASS-21cmvFASTインターフェースを通じたCMBおよび21cmデータの共同解析により、宇宙論的および天体物理学的パラメータの両方にわたる、強固で一貫したパラメータ制約が可能になる。
• FDM、X線加熱、およびその他の天体物理学的パラメータ間のデゲネラシーは依然として顕著であるが、これにより現在および将来の21cm実験によるFDMの検出が不可能になるわけではない。