[논문 리뷰] Exploring delaying and heating effects on the 21-cm signature of fuzzy dark matter

Debanjan Sarkar, Jordan Flitter외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 10.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 94인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 상대 속도, 라이만-워너 피드백, 라이만-알파/CMB 가열 효과를 포함한 수정된 21cmvFAST 코드를 CLASS와 연동하여 퍼지 어두운 물질(FDM) 우주론에서 21cm 전역 신호를 모델링한다. 결과적으로 HERA는 낙관적인 간섭 신호 조건에서는 FDM 입자 질량을 10⁻¹⁸ eV까지 탐지할 수 있고, 현실적인 경우 10⁻¹⁹ eV까지 가능하다. 이는 신호를 약화시키는 지연 및 가열 메커니즘에도 불구하고 성립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 퍼지 어두운 물질(FDM)이 우주의 어둠의 시대와 재이온화 시기에 21-cm 전역 신호 및 변동성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 바리온과 어두운 물질 간 상대 속도 및 라이만-워너 피드백과 같은 핵심 천체물리학적 지연 메커니즘이 FDM 모델의 21-cm 신호에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 라이만-알파 및 CMB 가열 메커니즘이 FDM 및 CDM 시나리오에서 신호의 진폭과 시기 조절에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 향후 21-cm 실험(예: HERA, EDGES)을 통해 FDM, 천체물리학적, 우주론적 매개변수에 대한 동시 제약를 예측하기 위해.
• CLASS와 21cmvFAST 간 직접 연동을 통해 CMB 및 21-cm 매개변수에 대한 일관되고 자발적인 제약를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 공개된 21cmvFAST 코드를 수정하여 상대 속도 효과, 라이만-워너 피드백, 라이만-알파 및 CMB 가열 메커니즘을 포함시켰다.
• 수정된 21cmvFAST 코드를 CLASS 보르츠만 해석 코드와 통합하여 재결합 이전의 일관된 간 우주 진화를 확보했다.
• 각 우주론적 모델에 대해 적응형으로 적응된 상대 속도 효과 및 피드백 매개변수를 계산하여 21-cm 시뮬레이션에 정확한 입력을 제공했다.
• 수정된 코드를 사용하여 다양한 입자 질량을 가진 FDM 우주론에서 어둠의 시대와 재이온화 기간 동안 21-cm 신호 실현을 생성했다.
• HERA 및 EDGES의 시뮬레이션 데이터를 기반으로 간섭 불확실성을 고려한 동시 매개변수 예측을 수행했다.
• 전체 하늘 및 전역 신호 모델링을 통해 FDM, 천체물리학적, 우주론적 매개변수 간의 비선형성과 상관관계를 탐색했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상대 속도 및 라이만-워너 피드백은 CDM에 비해 FDM 우주론에서 21-cm 신호에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 라이만-알파 및 CMB 가열 메커니즘이 FDM 모델에서 신호의 진폭과 시기 조절에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 추가 물리 효과를 고려할 때, 향후 강도 매핑(HERA) 및 전역 신호(EDGES) 실험은 FDM과 CDM를 구분할 수 있는가?
• RQ4 21-cm 데이터를 통해 FDM 입자 질량, X선 가열 효율성 및 기타 천체물리학적 매개변수에 대해 도출 가능한 동시 제약는 무엇인가?
• RQ5 FDM, X선 가열 및 기타 천체물리학적 매개변수 간의 비선형성은 21-cm 관측을 통한 FDM 탐지 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 낙관적인 간섭 신호 조건에서는 HERA가 FDM 입자 질량을 최대 10⁻¹⁸ eV까지 탐지할 수 있다.
• 더 현실적인 간섭 조건에서는 HERA의 감도가 약 10⁻¹⁹ eV까지 확장된다.
• 지연 및 가열 메커니즘을 포함한 경우, 이러한 효과가 없는 모델에 비해 탐지 가능한 FDM 질량 범위가 약 1개 정도 감소한다.
• 라이만-알파 및 CMB 가열은 특히 X선 가열 효율성이 떨어질 경우 신호의 진폭과 시기 조절에 상당한 영향을 미친다.
• CLASS-21cmvFAST 간 직접 연동을 통한 CMB 및 21-cm 데이터의 동시 분석은 우주론적 및 천체물리학적 매개변수에 대해 강력하고 일관된 제약를 가능하게 한다.
• FDM, X선 가열 및 기타 천체물리학적 매개변수 간의 비선형성은 여전히 중요하지만, 현재 및 향후 21-cm 실험을 통해 FDM 탐지 가능성에 영향을 주지 않는다.