[논문 리뷰] 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)|2021. 01. 13.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 초기 우주에서의 초기 블랙홀(PBH), 비가속도-어둠침물 상호작용, 그리고 어둠침물 에너지 모델이 어둠의 시대 동안 21cm 밝기 온도에 미치는 영향을 종합적으로 조사한다. EDGES 초과 신호를 활용하여, 세 가지 상호작용 어둠침물 에너지 모델을 기반으로 어둠침물 질량과 비가속도-어둠침물 상호작용 단면적을 제약하고, PBH 질량에 대한 경계를 도출하며 관측 결과와의 일치성을 평가한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 어둠의 시대 동안 초기 블랙홀(PBH), 비가속도-어둠침물 상호작용, 그리고 상호작용 어둠침물 에너지(IDE) 모델이 21cm 밝기 온도에 미치는 종합적 영향을 분석한다.
• 관측된 EDGES 초과 신호를 이용하여 어둠침물 질량($m_{\rho}$)과 비가속도-어둠침물 산란 단면적($\sigma_0$)에 대한 제약 조건을 도출한다.
• 다양한 어둠침물 질량과 IDE 모델 결합 매개변수에 따라 PBH 질량에 대한 경계를 추정한다.
• 3개의 IDE 모델이 유도된 제약 조건과 관측 결과 간의 일치성을 평가한다.

제안 방법

• 우주론적 페르뮤테이션 이론을 사용하여 비가속도-어둠침물 상호작용과 PBH 기여가 있는 상태에서 21cm 밝기 온도를 모델링한다.
• 어둠침물 에너지의 진화와 어둠침물 및 비가속도와의 결합을 기술하기 위해 세 가지 별개의 상호작용 어둠침물 에너지(IDE) 모델을 통합한다.
• 모델 매개변수를 校정하기 위해 관측된 EDGES 초과 밝기 온도 $-500^{+200}_{-500}$ mK를 핵심 관측 제약 조건으로 사용한다.
• PBH 및 어둠침물 에너지 상호작용의 영향을 받는 광자, 비가속도, 어둠침물 온도 변동에 대한 연립 보츠만 방정식을 해결한다.
• EDGES 데이터와 일치하는 허용 영역을 식별하기 위해 $m_{\rho}$와 $\sigma_0$에 대한 매개변수 공간 스캔을 수행한다.
• 다양한 $m_{\rho}$ 값과 IDE 모델 매개변수에 따라 PBH 질량에 대한 상한을 도출하며, 관측 제약 조건과의 일치성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비가속도-어둠침물 상호작용과 PBH가 어둠의 시대 동안 21cm 밝기 온도에 어떻게 종합적으로 영향을 미치는가?
• RQ2 EDGES 초과 신호를 활용하여 어둠침물 질량과 비가속도-어둠침물 단면적에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ3 다양한 상호작용 어둠침물 에너지(IDE) 모델이 어둠침물과 PBH 질량의 허용 매개변수 공간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 어둠침물 질량과 IDE 모델 결합 매개변수에 따라 PBH 질량의 상한은 무엇인가?
• RQ5 EDGES 데이터에서 유도된 제약 조건은 고려된 3개의 IDE 모델과 일치하는가?

주요 결과

• 21cm 밝기 온도는 특히 PBH 존재 시 어둠침물 질량($m_{\rho}$)과 비가속도-어둠침물 단면적($\sigma_0$)에 매우 민감하게 의존한다.
• 관측된 EDGES 초과 $-500^{+200}_{-500}$ mK와 일치하는 $m_{\rho}$–$\sigma_0$ 매개변수 공간 내 제약 영역이 확립된다.
• 다양한 $m_{\rho}$ 값과 IDE 모델 결합 매개변수에 따라 PBH 질량에 대한 제약이 도출되며, 특정 모델 구성에서는 더 강력한 제약이 성립한다.
• 3개의 IDE 모델이 도출된 제약과의 일치성을 평가한 결과, 일부 모델이 다른 모델보다 EDGES 데이터와 더 잘 일치하는 것으로 나타났다.
• PBH 존재는 간성간 매질의 열역학적 역사를 변화시켜 21cm 신호에 영향을 주며, 이는 추론된 매개변수 공간에 영향을 미친다.
• 이 연구는 PBH와 어둠침물-비가속도 상호작용이 극단적인 매개변수 조정 없이도 EDGES 초과를 공동으로 설명할 수 있음을 보여준다.