[논문 리뷰] Dark Cosmology: Investigating Dark Matter & Exotic Physics in the Dark Ages using the Redshifted 21-cm Global Spectrum

Jack O. Burns, S. D. Bale외 16명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 16.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 40인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 어둠의 시대(z ≈ 100–35) 동안 은하 형성 이전에 우주론적 효과가 支配하는 시기에, 달의 밤면에서 붉은 도플러 이동된 21cm 전역 스펙트럼을 사용하여 비정상 물리 현상을 탐색할 것을 제안한다. 단일 크로스다이폴 안테나 또는 밀집 어레이가 표준 LCDM 모델의 이심을 >5σ의 유의미한 수준에서 탐지할 수 있으며, 이는 암흑물질 상호작용에 의한 냉각 증가 등의 현상에 대한 청결한 검증을 제공한다.

ABSTRACT

The Dark Ages, probed by the redshifted 21-cm signal, is the ideal epoch for a new rigorous test of the standard LCDM cosmological model. Divergences from that model would indicate new physics, such as dark matter decay (heating) or baryonic cooling beyond that expected from adiabatic expansion of the Universe. In the early Universe, most of the baryonic matter was in the form of neutral hydrogen (HI), detectable via its ground state's spin-flip transition. A measurement of the redshifted 21-cm spectrum maps the history of the HI gas through the Dark Ages and Cosmic Dawn and up to the Epoch of Reionization (EoR). The Experiment to Detect the Global EoR Signature (EDGES) recently reported an absorption trough at 78 MHz (redshift z of 17), similar in frequency to expectations for Cosmic Dawn, but about 3 times deeper than was thought possible from standard cosmology and adiabatic cooling of HI. Interactions between baryons and slightly-charged dark matter particles with electron-like mass provide a potential explanation of this difference but other cooling mechanisms are also being investigated to explain these results. The Cosmic Dawn trough is affected by cosmology and the complex astrophysical history of the first luminous objects. Another trough is expected during the Dark Ages, prior to the formation of the first stars and thus determined entirely by cosmological phenomena (including dark matter). Observations on or in orbit above the Moon's farside can investigate this pristine epoch (15-40 MHz; z=100-35), which is inaccessible from Earth. A single cross-dipole antenna or compact array can measure the amplitude of the 21-cm spectrum to the level required to distinguish (at >5$σ$}) the standard cosmological model from that of additional cooling derived from current EDGES results. This observation constitutes a powerful, clean probe of exotic physics in the Dark Ages.

연구 동기 및 목표

• 어둠의 시대(z ≈ 100–35)의 우주론적 및 천체물리적 신호를 붉은 도플러 이동된 21cm 전역 스펙트럼을 이용해 탐구한다.
• 암흑물질 붕괴 또는 비등온 냉각과 같은 비정상 물리 현상에 의해 유도된 편차에 의해 영향을 받을 수 있는 표준 LCDM 우주론 모델을 검증한다.
• 표준 냉각과 강화된 냉각 시나리오를 구별하기 위해 21cm 진폭의 청결한 고신뢰성 측정(≥5σ)을 가능하게 한다.
• 지구에서 접근할 수 없는 순수한 15–40MHz 대역에 도달하기 위해 달의 밤면을 간섭 없는 라디오 환경으로 활용한다.
• 첫 번째 항성 형성 이전에 암흑물질 상호작용을 포함한 우주론적 현상에 직접적으로 탐지할 수 있다.

제안 방법

• 달의 밤면에 배치된 단일 크로스다이폴 안테나 또는 밀집 어레이를 사용하여 전역 21cm 스펙트럼을 측정한다.
• 어둠의 시대 이전의 15–40MHz 주파수 대역(z ≈ 100–35)에서 붉은 도플러 이동된 21cm 신호를 대상으로 한다.
• 21cm 파wer 스펙트럼의 진폭을 고정밀도로 측정하여 표준 우주론과 추가 냉각을 포함하는 모델 간의 구별이 가능하게 한다.
• 표준 LCDM 하에서의 기대 21cm 신호와 약간의 전하를 가진 암흑물질 입자에 의해 유도된 냉각 메커니즘과 같은 대체 냉각 메커니즘을 모델링한다.
• 지구의 간섭과 전리권 간섭이 없는 달의 밤면 덕분에 고역률 및 저시스템 온도를 달성한다.
• 통계적 유의성 기준(≥5σ)을 적용하여 EDGES의 78MHz에서 관측된 흡수 턱(지수 ≈ 17)에서 유도된 편차와 표준 모델을 구별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 달의 밤면에서 충분한 민감도로 어둠의 시대(z ≈ 100–35)의 붉은 도플러 이동된 21cm 전역 스펙트럼을 측정하여 표준 LCDM 모델의 이심을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 어둠의 시대의 21cm 신호 기대 진폭은 얼마이며, 암흑물질 상호작용에 의해 강화된 복사 냉각이 있는 모델에서는 어떻게 다를까?
• RQ3 단일 크로스다이폴 안테나 또는 밀집 어레이가 표준 우주론과 비등온 냉각 시나리오를 >5σ 민감도로 분별할 수 있는가?
• RQ4 전자 유사 질량을 가진 약간의 전하를 가진 암흑물질 입자와의 상호작용이 초기 항성 없이 21cm 신호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 어둠의 시대의 21cm 신호는 초기 은하 형성의 천체물리적 불확실성과 독립적으로 비정상 물리 현상을 청결하게 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 어둠의 시대(z ≈ 100–35)의 21cm 신호는 암흑물질 상호작용을 포함한 우주론적 효과에 의해 지배되며, 초기 천체물리적 원천의 영향을 받지 않는다.
• 달의 밤면에 위치한 단일 크로스다이폴 안테나 또는 밀집 어레이가 표준 LCDM와 강화된 냉각 모델을 >5σ의 유의미한 수준에서 구별할 수 있는 충분한 민감도로 21cm 진폭을 측정할 수 있다.
• EDGES에서 78MHz(z ≈ 17)에서 이상하게 깊은 흡수 턱을 관측한 것은 비표준 냉각을 시사하며, 이러한 메커니즘을 검증하기 위해 더 이른 시대(z ≈ 100–35)로 관측을 연장할 필요성을 부각시킨다.
• 달의 밤면은 지구의 전리권과 지구 기반 간섭 신호로 인해 막혀 있는 15–40MHz 대역에 접근할 수 있는 간섭 없는 환경을 제공한다.
• 어둠의 시대의 21cm 신호는 우주론적 냉각으로 인해 턱을 보이며, 그 깊이가 암흑물질 성질과 복사 냉각 메커니즘에 민감하게 반영된다.
• 제안된 측정은 첫 번째 빛나는 천체의 형성 및 진화와 관련된 불확실성과 독립적이므로, 비정상 물리 현상에 대한 강력하고 청결한 탐지 수 Mittel이다.