[논문 리뷰] Imprints of fermionic and bosonic mixed dark matter on the 21-cm signal at cosmic dawn

Sambit K. Giri, Aurel Schneider|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 06.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 117인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 우주의 어둠의 시대 동안 혼합된 어둠의 물질(냉각하지 않은 물질) 시나리오—특히 페르미온성(무색 중성자) 또는 보스온성(초경량 축전자)의 비냉각 어둠의 물질을 포함하는 경우—가 21cm 신호에 어떻게 다른 인상을 남기는지 조사한다. 헬로 모델 기반의 21cm 전역 신호 및 스펙트럼 시뮬레이션을 사용하여, 저자들은 스텝 킬로미터 어레이(SKA)가 비냉각 어둠의 물질의 질량과 비율을 제약할 수 있을 것으로 예측한다. 그 결과 매우 엄격한 제약 조건을 도출한다: 페르미온성 어둠의 물질의 경우, fnCDM ≈ 1일 때 95% 신뢰수준에서 mnCDM > 15 keV(열적 질량)이며, 보스온성 어둠의 물질의 경우 동일 조건에서 mnCDM > 2 × 10⁻²⁰ eV이다.

ABSTRACT

The 21-cm signal from the epoch of cosmic dawn prior to reionization consists of a promising observable to gain new insights into the dark matter (DM) sector. In this paper, we investigate its potential to constrain mixed (cold + non-cold) dark matter scenarios that are characterised by the non-cold DM fraction ($f_{ m nCDM}$) and particle mass ($m_{ m nCDM}$). As non-cold DM species, we investigate both a fermionic (sterile neutrino) and a bosonic (ultra-light axion) particle. We show how these scenarios affect the global signal and the power spectrum using a halo-model implementation of the 21-cm signal at cosmic dawn. Next to this study, we perform an inference-based forecast study based on realistic mock power spectra from the Square Kilometre Array (SKA) telescope. Assuming inefficient, yet non-zero star-formation in minihaloes (i.e. haloes with mass below $10^8$ M$_{\odot}$), we obtain stringent constraints on both $m_{ m nCDM}$ and $f_{ m nCDM}$ that go well beyond current limits. Regarding the special case of $f_{ m nCDM}\sim 1$, for example, we find a constraint of $m_{ m nCDM}>15$ keV (thermal mass) for fermionic DM and $m_{ m nCDM}>2 imes10^{-20}$ eV for bosonic DM. For the opposite case of dominating cold DM, we find that at most one percent of the total DM abundance can be made of a hot fermionic or bosonic relic. All constraints are provided at the 95 percent confidence level.

연구 동기 및 목표

• 혼합 어둠의 물질(냉각 + 비냉각)이 우주의 어둠의 시대 동안 21cm 신호에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 스텝 킬로미터 어레이(SKA)가 비냉각 어둠의 물질 성분(페르미온성: 무색 중성자, 보스온성: 초경량 축전자)을 제약할 잠재력을 평가하기 위해.
• SKA-로우의 실제 모의 스펙트럼을 기반으로 비냉각 어둠의 물질의 질량과 비율에 대한 정량적 예측을 제공하기 위해.
• 비냉각 어둠의 물질에 의한 소규모 스케일의 파워 억제 및 자유로운 흐름 효과가 21cm 전역 신호와 공간 스펙트럼에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 혼합 어둠의 물질 시나리오에서 21cm 전역 신호 및 스펙트럼을 계산하기 위해 헬로 모델을 구현한다.
• 페르미온성(WCDM) 및 보스온성(FCDM) 모델 모두에서 비냉각 어둠의 물질을 비율 fnCDM와 입자 질량 mnCDM로 매개변수화한다.
• 최소 은하(질량 M < 10⁸ M⊙)에서 비제로이자 비효율적인 별 형성 모델을 적용하여 소스 기여도를 계산한다.
• 모의 SKA-로우 스펙트럼을 기반으로 베이지안 추론 기반 예측을 수행하여 95% 신뢰수준에서 제약 조건을 도출한다.
• 21cm 신호 코드 도구 tools21cm의 수정 버전을 사용하여 적색편이 z ≈ 10–25 범위에서 21cm 신호를 시뮬레이션한다.
• 모의 데이터에 대한 매개변수 추론을 수행하기 위해 emcee를 사용하여 마르코프 체인 몬테카를로 샘플링을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미온성 및 보스온성 비냉각 어둠의 물질 성분은 우주의 어둠의 시대 동안 21cm 전역 신호와 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스텝 킬로미터 어레이(SKA)는 혼합 어둠의 물질 시나리오에서 비냉각 어둠의 물질의 질량과 비율에 대해 어떤 제약을 가질 수 있는가?
• RQ3 비냉각 어둠의 물질에 의한 소규모 스케일 파워 억제 및 자유로운 흐름 효과는 21cm 신호의 진폭과 스케일 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 최소 은하에서 비제로 별 형성의 영향은 혼합 어둠의 물질 모델에서 21cm 신호의 탐지 가능성과 해석에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• fnCDM ≈ 1일 경우, 페르미온성 비냉각 어둠의 물질 성분에 대해 SKA는 95% 신뢰수준에서 mnCDM > 15 keV(열적 질량)의 하한 제약을 예측한다.
• fnCDM ≈ 1일 경우, 보스온성 비냉각 어둠의 물질 성분에 대해 SKA는 95% 신뢰수준에서 mnCDM > 2 × 10⁻²⁰ eV의 하한 제약을 예측한다.
• 냉각 어둠의 물질가 지배적인 경우(fnCDM ≪ 1), SKA는 비냉각 성분이 총 어둠의 물질 밀도의 최대 1% 이내임을 제약한다.
• 비냉각 어둠의 물질에 의해 21cm 스펙트럼은 스케일 의존적인 억제를 보이며, 보스온성(얽힌) 어둠의 물질의 경우 페르미온성(따뜻은) 어둠의 물질보다 더 급격한 절단을 보인다.
• 최소 은하에서 비효율적인 별 형성을 고려함으로써 21cm 신호의 비냉각 어둠의 물질에 대한 민감도가 향상되어 제약 능력이 향상된다.
• 본 연구는 SKA-로우 관측이 현재의 관측 제약보다 비냉각 어둠의 물질에 대해 훨씬 더 강력한 제약을 제공할 수 있음을 입증하며, 특히 초경량 축전자 유사 입자에 대해 더욱 두드러진다.