[論文レビュー] Investigating the Effect of PBH, Dark Matter -- Baryon and Dark Matter -- Dark Energy Interaction on EDGES in 21cm Signal

Ashadul Halder, Madhurima Pandey|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、初期ブラックホール（PBH）、バリオン-ダークマター相互作用、およびダークエネルギーモデルが、宇宙の暗黒時代中の21cm輝度温度に与える共同的影響を調査する。EDGESの過剰信号を用いて、3つの相互作用的ダークエネルギー（IDE）モデルの下でダークマター質量とバリオン-ダークマター散乱断面積の制約を導出し、PBH質量の上限を評価するとともに、観測とモデルの整合性を検証する。

ABSTRACT

21cm radio signal has emerged as an important probe in investigating the Dark Age of the Universe (recombination to reionization). In the current analysis, we explore the combined effect of baryon - Dark Matter interaction, primordial black holes (PBH) on the 21cm brightness temperature. The variation of brightness temperature shows remarkable dependence on Dark Matter mass ($m_{\chi}$) and the baryon - Dark Matter cross-section ($\sigma_0$). We address a bound in the $m_{\chi}$ - $\sigma_0$ space in presence of PBH in the framework of three different Interacting Dark Energy (IDE) models of the Universe. The limits are estimated based on the observed excess ($-500^{+200}_{-500}$ mK) of 21cm brightness temperature by EDGES experiment. Eventually, a bound on PBH mass is also estimated for different values of Dark Matter mass and the IDE model coupling parameters and the compatibility of the IDE model constraints in the estimated bounds are also addressed.

研究の動機と目的

• 宇宙の暗黒時代における初期ブラックホール（PBH）、バリオン-ダークマター相互作用、および相互作用的ダークエネルギー（IDE）モデルが21cm輝度温度に与える共同的影響を検討すること。
• 観測されたEDGESの過剰信号を用いて、ダークマター質量（$m_{\rho}$）とバリオン-ダークマター散乱断面積（$\sigma_0$）の制約を導出すること。
• 異なるダークマター質量とIDEモデルの結合パラメータを想定した場合のPBH質量の上限を推定すること。
• 3つのIDEモデルが、EDGESデータから導かれた制約とどの程度整合性を示すかを評価すること。

提案手法

• 宇宙論的摂動理論を用いて、バリオン-ダークマター相互作用とPBH寄与の下での21cm輝度温度をモデル化すること。
• ダークエネルギーの進化とダークマター・バリオンへの結合を記述するため、3つの異なる相互作用的ダークエネルギー（IDE）モデルを組み込むこと。
• 観測されたEDGESの過剰輝度温度 $-500^{+200}_{-500}$ mKを、モデルパラメータのキャリブレーションに用いる主要な観測的制約とする。
• PBHおよびダークエネルギー相互作用の影響下で、光子、バリオン、ダークマターの温度ゆらぎに関する連立ボルツマン方程式を解くこと。
• $m_{\rho}$ と $\sigma_0$ のパラメータ空間を走査し、EDGESデータと整合する許容領域を同定すること。
• 異なる $m_{\rho}$ 値およびIDEモデルのパラメータに対してPBH質量の上限を導出し、観測的制約とのモデル整合性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン-ダークマター相互作用とPBHが、暗黒時代中の21cm輝度温度にどのように共同で影響を与えるか？
• RQ2 EDGESの過剰信号を用いることで、ダークマター質量とバリオン-ダークマター断面積にどのような制約を課すことができるか？
• RQ3 異なる相互作用的ダークエネルギー（IDE）モデルが、ダークマターとPBH質量の許容パラメータ空間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 異なるダークマター質量とIDEモデルの結合パラメータを想定した場合、PBH質量の上限はどのようになるか？
• RQ5 EDGESデータから導かれた制約は、検討された3つのIDEモデルと整合的か？

主な発見

• 21cm輝度温度は、特にPBHが存在する状況において、ダークマター質量（$m_{\rho}$）とバリオン-ダークマター断面積（$\sigma_0$）に強く依存する。
• 観測されたEDGESの過剰 $-500^{+200}_{-500}$ mKと整合する $m_{\rho}$–$\sigma_0$ パラメータ空間における制約が確立された。
• 異なる $m_{\rho}$ 値およびIDEモデルの結合パラメータを想定した場合、PBH質量の制約が得られ、特定のモデル設定ではより厳密な上限が得られた。
• 3つのIDEモデルが導かれた制約とどの程度整合するかを評価した結果、一部のモデルがEDGESデータとより整合的であることが示された。
• PBHの存在が、銀河間媒体の熱的歴史を変化させ、結果として21cm信号に影響を与え、推定されるパラメータ空間を変える。
• 本研究は、PBHとダークマター-バリオン相互作用が、極端なパrameterの微調整を必要とせずにEDGESの過剰を同時に説明可能であることを示した。