[論文レビュー] Dark Cosmology: Investigating Dark Matter & Exotic Physics in the Dark Ages using the Redshifted 21-cm Global Spectrum

Jack O. Burns, S. D. Bale+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 40被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、星形成が始まる前、宇宙論的効果が支配的になるダークエイジス（z ≈ 100–35）における異常物理を調べるため、月の裏側から赤方偏移した21cmグローバルスペクトルを用いることを提案する。単一のクロスダイポールアンテナまたはコンactアレイが、標準LCDMモデルからのずれ（たとえば、ダークマター相互作用による冷却の増強）を5σ以上で検出可能であり、ダークマター崩壊や非断熱冷却メカニズムの明確なテストを可能にする。

ABSTRACT

The Dark Ages, probed by the redshifted 21-cm signal, is the ideal epoch for a new rigorous test of the standard LCDM cosmological model. Divergences from that model would indicate new physics, such as dark matter decay (heating) or baryonic cooling beyond that expected from adiabatic expansion of the Universe. In the early Universe, most of the baryonic matter was in the form of neutral hydrogen (HI), detectable via its ground state's spin-flip transition. A measurement of the redshifted 21-cm spectrum maps the history of the HI gas through the Dark Ages and Cosmic Dawn and up to the Epoch of Reionization (EoR). The Experiment to Detect the Global EoR Signature (EDGES) recently reported an absorption trough at 78 MHz (redshift z of 17), similar in frequency to expectations for Cosmic Dawn, but about 3 times deeper than was thought possible from standard cosmology and adiabatic cooling of HI. Interactions between baryons and slightly-charged dark matter particles with electron-like mass provide a potential explanation of this difference but other cooling mechanisms are also being investigated to explain these results. The Cosmic Dawn trough is affected by cosmology and the complex astrophysical history of the first luminous objects. Another trough is expected during the Dark Ages, prior to the formation of the first stars and thus determined entirely by cosmological phenomena (including dark matter). Observations on or in orbit above the Moon's farside can investigate this pristine epoch (15-40 MHz; z=100-35), which is inaccessible from Earth. A single cross-dipole antenna or compact array can measure the amplitude of the 21-cm spectrum to the level required to distinguish (at >5$σ$}) the standard cosmological model from that of additional cooling derived from current EDGES results. This observation constitutes a powerful, clean probe of exotic physics in the Dark Ages.

研究の動機と目的

• ダークエイジス（z ≈ 100–35）からの宇宙論的および天体物理学的信号を、赤方偏移した21cmグローバルスペクトルを用いて調査すること。
• 標準LCDM宇宙論的モデルが、ダークマター崩壊や非断熱冷却などの異常物理によって引き起こされるずれと比較されること。
• 21cm振幅の明確な、高信頼性（≥5σ）の測定を可能にし、標準的および強化された冷却シナリオを区別すること。
• 地球からではアクセスできない純粋な15–40MHz帯に到達するため、月の裏側を電波静穏なプラットフォームとして活用すること。
• 最初の星の形成以前に、ダークマター相互作用を含む宇宙論的現象を直接的に探査すること。

提案手法

• 月の裏側に配置された単一のクロスダイポールアンテナまたはコンactアレイを用いて、グローバル21cmスペクトルを測定する。
• ダークエイジスに相当する15–40MHz帯（z ≈ 100–35）の赤方偏移21cm信号を標的とする。
• 21cmパワースペクトルの振幅を高精度に測定し、標準的宇宙論と追加冷却を伴うモデルの区別を可能にする。
• 標準LCDM下および、わずかに電荷を帯びたダークマター粒子が引き起こすような、代替冷却メカニズム下での期待される21cm信号をモデル化する。
• 月の裏側に地球およびイオン圏の干渉がないことを利用して、高いダイナミックレンジと低システム温度を実現する。
• EDGESの78MHz（z ≈ 17）における異常な深さの吸収谷から推定されるずれを区別するため、統計的有意水準（≥5σ）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月の裏側から、ダークエイジス（z ≈ 100–35）の赤方偏移21cmグローバルスペクトルを十分な感度で測定可能であり、標準LCDMモデルからのずれを検出できるか？
• RQ2 ダークエイジスにおける21cm信号の期待振幅は何か？ また、ダークマター相互作用によるバリオン冷却の増強がもたらす影響はどのように異なるか？
• RQ3 単一のクロスダイポールアンテナまたはコンactアレイが、標準的宇宙論と非断熱冷却シナリオを>5σで区別できる程度の感度を達成できるか？
• RQ4 電子的質量を持つわずかに電荷を帯びたダークマター粒子とバリオンとの相互作用は、最初の星が存在しない状況で21cm信号にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ダークエイジスの21cm信号は、最初の明るい天体の形成に関する天体物理学的不確実性に依存せず、異常物理の明確な宇宙論的プローブとして機能できるか？

主な発見

• ダークエイジス（z ≈ 100–35）からの21cm信号は、ダークマター相互作用を含む宇宙論的効果によって支配されており、初期天体源の影響を受けない。
• 月の裏側に配置された単一のクロスダイポールアンテナまたはコンactアレイは、標準LCDMと強化冷却を伴うモデルを5σ以上で区別できる十分な感度で21cm振幅を測定可能である。
• EDGESが78MHz（z ≈ 17）で観測した異常な深さの吸収谷は、非標準的冷却を示唆しており、そのメカニズムを検証するため、より初期の時代（z ≈ 100–35）への観測を拡張する動機を提供する。
• 月の裏側は電波静穏な環境を提供し、地球のイオン圏や地上のRFIによって遮断される15–40MHz帯にアクセス可能である。
• ダークエイジスにおける21cm信号は、宇宙論的冷却に起因する谷を示すと予想され、その深さはダークマターの性質およびバリオン冷却メカニズムに敏感である。
• 提案された測定は、最初の明るい天体の形成と進化に関する不確実性に依存しないため、強力で明確な異常物理のプローブを提供する。