[논문 리뷰] Warm dark matter constraints from the JWST

Pratika Dayal, Sambit K. Giri|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 24.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

본 논문은 홀로 질량 함수와 별 질량을 연결하는 현상론적 모델을 사용하여 JWST 데이터를 바탕으로 웜 다크 매터(WDM) 입자 질량을 제약하며, 1.5 keV WDM은 저질량 SMF와 SMD 진화에 의해 실질적으로 배제되고, 고적성에서 최대 별 질량의 급격한 절단을 예측한다.

ABSTRACT

Warm Dark Matter (WDM) particles with masses ($\sim$ kilo electronvolt) offer an attractive solution to the small-scale issues faced by the Cold Dark Matter (CDM) paradigm. The delay of structure formation in WDM models and the associated dearth of low-mass systems at high-redshifts makes this an ideal time to revisit WDM constraints in light of the unprecedented data-sets from the James Webb Space Telescope (JWST). Developing a phenomenological model based on the halo mass functions in CDM and WDM models, we calculate high-redshift ($z \gt 6$) the stellar mass functions (SMF) and the associated stellar mass density (SMD) and the maximum stellar mass allowed in a given volume. We find that: (i) WDM as light as 1.5 keV is already disfavoured by the low-mass end of the SMF (stellar mass $M_* \sim 10^7 m{M_\odot}$) although caution must be exerted given the impact of lensing uncertainties; (ii) 1.5 keV WDM models predict SMD values that show a steep decrease from $10^{8.8}$ to $10^{2} ~{ m M_\odot ~cMpc^{-3}}$ from $z \sim 4$ to 17 for $M_* \gt 10^8 m{M_\odot}$; (iii) the 1.5 keV WDM model predicts a sharp and earlier cut-off in the maximum stellar masses for a given number density (or volume) as compared to CDM or heavier WDM models. For example, with a number density of $10^{-3} m {cMpc^{-3}}$, 1.5 (3) KeV WDM models do not predict bound objects at $z \gt 12$ (18). Forthcoming JWST observations of multiple blank fields can therefore be used as a strong probe of WDM at an epoch inaccessible by other means.

연구 동기 및 목표

• WDM이 CDM/WDM 홀로 질량 함수 체계를 사용하여 고적에서의 홀로 질량 및 별 질량 통계를 어떻게 바꾸는지 평가한다.
• 다양한 WDM 시나리오 하에서 별 질량 함수(SMF)와 별 질량 밀도(SMD)의 적분적 진화를 정량화한다.
• JWST로부터의 관측 제약점을 확인하기 위해 주어진 체적에서 CDM과 WDM의 최대 허용 별 질량을 결정한다.
• 두 가지 별 형성 효율성 모델을 탐색하여 홀 질량과 별 질량을 연결하고 JWST 관측과 비교한다.

제안 방법

• 확장된 프레스-셜캐스트(Extended Press-Schechter)와 셰스-토르멘(Sheth-Tormen) 최초 교차 분포 및 매끄러운-k 창(window)을 사용해 WDM 억제를 갖는 홀로 질량 함수를 구성한다.
• CDM과 WDM(m_x ~ 1.5 및 3 keV)에 대해 선형 파워 스펙트럼을 CLASS로 계산하고 하프-모드 주파수 스케일과 질량을 도출한다.
• M_g = (Ω_b/Ω_m) M_h로 홀의 가스 질량을 총 질량에 연결하고 두 ε_* 모델 아래에서 M_* = ε_* M_g를 계산한다.
• 모델 A: z ~ 6–10에서 광도 끝 SMF를 맞추기 위해 fn(z)로 선택된 ε_*; ε_*는 z가 증가함에 따라 감소.
• 모델 B: ε_* = 1로 하여 최대 별 질량을 상한으로 설정.
• CDM, 3 keV WDM, 1.5 keV WDM에 대해 z ~ 4–20 전반에 걸쳐 SMF, SMD, 최대 별 질량을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WDM이 CDM에 비해 고적에서 저질량 끝의 별 질량 함수(SMF)를 어떻게 억제하는가?
• RQ2 다양한 DM 모델에서 예측되는 별 질량 밀도(SMD)와 최대 별 질량은 어떠하며 JWST 데이터로 m_x를 ≳1.5–3 keV로 제약할 수 있는가?
• RQ3 두 가지 별 형성 효율성 처방이 CDM 및 WDM 시나리오의 추정 SMF와 SMD에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다가오는 JWST 공백필드 관측이 z > 12–18에서 대형 시스템의 탐지 혹은 배제를 통해 경량 WDM을 강력히 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 1.5 keV WDM은 저질량 끝의 SMF에서 M_* ~ 10^7 M_sun 주변에서 배제되며, 렌즈링 불확실성은 존재한다.
• SMD 예측은 z ~ 4에서 z ~ 17까지 M_* ≳ 10^8 M_sun에 대해 1.5 keV WDM에서 가파른 하강을 보이며 CDM 대비 차이가 난다.
• 1.5 keV WDM 모델은 CDM/3 keV에 비해 고정된 개수 밀도에서 최대 별 질량에 앞서 급작스러운 컷오프를 보인다.
• 개수 밀도 10^-3 cMpc^-3에서 1.5 keV WDM은 z ~ 12를 넘지 못하는 반면, 3 keV WDM은 z ~ 18를 넘지 못한다.
• z ~ 6.5–9에서 JWST CEERS 유사한 대형 은하의 관측은 오차 범위 내에서 CDM/3 keV 한계와 일치한다.
• 향후 JWST 공백필드 설문은 고적대의 다중 필드에서 고적-대-대량 끝 통계를 조사함으로써 경량 WDM을 서로 다르게 검증할 수 있다.