[논문 리뷰] WarmAndFuzzy: the halo model beyond CDM

David J. E. Marsh|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 19.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 7인용 수 24

한 줄 요약

WarmAndFuzzy는 온난한 암흑물질(WDM, m_X ≈ 1 keV)과 흐릿한 암흑물질(FDM, m_a ≈ 10^{-22} eV)의 비선형 물질 스펙트럼을 계산하는 반분석적 헬로 모델 코드를 제시한다. 수정된 선형 이동 함수, 붕괴 장벽, 질량-농도 관계를 통합하여, FDM 헬로 모델 스펙트럼을 처음으로 계산한 것으로, 저 redshift에서 준선형 및 비선형 영역에서 WDM, FDM, CDM가 각각 다른 서명을 나타냄을 보여준다.

ABSTRACT

Cold dark matter (CDM) is a well established paradigm to describe cosmological structure formation, and works extraordinarily well on large, linear, scales. Progressing further in dark matter physics requires being able to understand structure formation in the non-linear regime, both for CDM and its alternatives. This short note describes a calculation, and accompanying code, WarmAndFuzzy, incorporating the popular models of warm and fuzzy dark matter (WDM and FDM) into the standard halo model to compute the non-linear matter power spectrum. The FDM halo model power spectrum has not been computed before. The FDM implementation models ultralight axions and other scalar fields with $m_a\approx 10^{-22} ext{ eV}$. The WDM implementation models thermal WDM with mass $m_X\approx 1 ext{ keV}$. The halo model shows that differences between WDM, FDM, and CDM survive at low redshifts in the quasi-linear and fully non-linear regimes. The code uses analytic transfer functions for the linear power spectrum, modified collapse barriers in the halo mass function, and a modified concentration-mass relationship for the halo density profiles. Modified halo density profiles (for example, cores) are not included, but are under development. Cores are expected to have very minor effects on the power spectrum on observable scales. Applications of this code to the Lyman-$α$ forest flux power spectrum and the cosmic microwave background lensing power spectrum will be discussed in companion papers. extsc{WarmAndFuzzy} is available online at \url{https://github.com/DoddyPhysics/HMcode}, where collaboration in development is welcomed.

연구 동기 및 목표

• 냉각 암흑물질(CDM)을 초월한 암흑물질 모델에서 비선형 물질 스펙트럼을 신속하게 반분석적으로 계산하는 방법을 개발하기 위해.
• 특히 이전에 헬로 모델 스펙트럼 계산이 없었던 흐릿한 암흑물질(FDM)을 포함하여 헬로 모델 형식을 온난한 암흑물질(WDM)과 확장하기 위해.
• 우주론적 파rameter 추정 및 관측적 검증에 활용할 수 있도록, 대체 암흑물질 모델에서의 비선형 구조 형성에 대한 효율적인 탐색을 가능하게 하기 위해.
• 커뮤니티를 위해 공개된 확장 가능한 코드베이스(WarmAndFuzzy)를 제공하여, 향후 코어 프로파일 및 향상된 이중헬로 항목 등의 향상 사항을 지원하기 위해.

제안 방법

• HMcode 프레임워크(Mead 등, 2015)를 기반으로 하여 반분석적 구조를 사용해 헬로 모델 계산을 수행한다.
• WDM 및 FDM 모두에서 소규모 스케일에서의 파워를 감소시키는 수정된 선형 이동 함수를 통합하여, 자유류출 및 de Broglie 파장 효과를 반영한다.
• Press-Schechter 형식에서 붕괴 장벽을 수정하여 헬로 질량 의존성을 포함함으로써, WDM 및 FDM에서 소규모 헬로 형성의 억제를 반영한다.
• NFW 질량-농도 관계를 수정하여, CDM과 비교해 WDM 및 FDM에서의 구조 성장 방식이 달라진 것을 반영한다.
• 헬로 질량 함수 및 하나의 헬로와 이중 헬로 항목으로 분해된 스펙트럼에 대한 분석적 규정을 사용한다.
• FDM에 대해는 코herent 진동과 자가상호작용 효과가 이동 함수 및 HMF에 미치는 영향이 무시 가능할 정도로, 2차 스칼라 포텐셜(V(φ) = m_a²φ²/2)을 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 준선형 및 완전 비선형 영역에서 온난한 암흑물질(WDM)과 흐릿한 암흑물질(FDM)의 비선형 물질 스펙트럼은 냉각 암흑물질(CDM)과 어떻게 다를까?
• RQ2 비싼 N-body 시뮬레이션에 의존하지 않고도 반분석적 헬로 모델이 WDM 및 FDM에서 소규모 파워 억제를 정확히 포착할 수 있을까?
• RQ3 수정된 붕괴 장벽과 질량-농도 관계의 영향이 비CDM 암흑물질 시나리오에서 헬로 모델 스펙트럼에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 코어 등 밀도 프로파일 수정이 관측 가능한 스케일에서 WDM 및 FDM의 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 이 모델에 대해 이전에 헬로 모델 계산이 없었던 점을 감안할 때, FDM에 대해 헬로 모델 근사가 얼마나 잘 작동하는가?

주요 결과

• WarmAndFuzzy 코드는 흐릿한 암흑물질(FDM)에 대한 헬로 모델 기반 비선형 물질 스펙트럼을 처음으로 성공적으로 계산하여, 이론적 모델링의 중요한 격차를 메웠다.
• 저 redshift에서 비선형 영역에서도 CDM, WDM, FDM 간의 차이가 지속되며, 준선형 및 비선형 스케일에서 관측 가능한 명백한 파wer 억제 특징을 보인다.
• 파워 스펙트럼의 파형이 k ≤ 100 h Mpc⁻¹ 범위에서 약 10% 이내로 정량적으로 정확할 것으로 기대되며, 더 높은 k에서는 일반적 경향을 나타내는 데 유용하다.
• 관측 가능한 스케일에서 코어 효과는 지배적인 영향을 미치지 않으며, WDM(m_X > 0.25 keV)의 경우 k < 100 h Mpc⁻¹에서 1% 미만의 영향을 미치며, FDM의 경우 더 큰 코어가 있음에도 불구하고 유사하게 작은 영향을 미친다.
• 헬로 모델 구현 결과, FDM의 자가상호작용 및 비2차 포텐셜의 영향은 선형 이동 함수 및 헬로 질량 함수에 미미한 영향을 미치며, 현재 모델에서 m_a²φ²/2 포텐셜의 사용을 정당화한다.
• 코드는 https://github.com/DoddyPhysics/HMcode 에 공개되어 있으며, 향후 작업으로 코어 프로파일 및 향상된 이중헬로 항목을 포함할 계획이다.