[论文解读] 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)|Jan 13, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本研究探讨了原初黑洞（PBH）、重子-暗物质相互作用以及暗能量模型如何共同影响宇宙黑暗时期期间的21厘米亮度温度。利用EDGES异常信号，该研究在三种相互作用暗能量模型下约束了暗物质质量与重子-暗物质散射截面，推导出原初黑洞质量的限制，并评估了各模型与观测结果的兼容性。

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.

研究动机与目标

• 研究原初黑洞（PBH）、重子-暗物质相互作用以及相互作用暗能量（IDE）模型对黑暗时期21厘米亮度温度的联合影响。
• 利用观测到的EDGES异常信号，推导暗物质质量（$m_{\rho}$）与重子-暗物质散射截面（$\sigma_0$）的约束。
• 针对不同暗物质质量与IDE模型耦合参数，估算原初黑洞质量的上限。
• 评估三种IDE模型与EDGES数据推导出的约束之间的兼容性。

提出的方法

• 利用宇宙微扰理论，建模在重子-暗物质相互作用与PBH贡献下21厘米亮度温度的演化。
• 引入三种不同的相互作用暗能量（IDE）模型，以描述暗能量的演化及其与暗物质和重子的耦合。
• 将观测到的EDGES异常亮度温度 $-500^{+200}_{-500}$ mK作为关键观测约束，用于标定模型参数。
• 求解在PBH与暗能量相互作用影响下，光子、重子与暗物质温度涨落的耦合玻尔兹曼方程。
• 在 $m_{\rho}$ 与 $\sigma_0$ 参数空间中进行扫描，识别与EDGES数据一致的允许区域。
• 针对不同 $m_{\rho}$ 与IDE模型参数，推导原初黑洞质量的上限，并评估模型与观测界限的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 重子-暗物质相互作用与PBH如何共同影响黑暗时期21厘米亮度温度？
• RQ2 能否利用EDGES异常信号对暗物质质量与重子-暗物质截面施加约束？
• RQ3 不同的相互作用暗能量（IDE）模型如何影响暗物质与PBH质量的允许参数空间？
• RQ4 在不同暗物质质量与IDE模型耦合参数下，PBH质量的上限是多少？
• RQ5 EDGES数据的约束与所考虑的三种IDE模型是否兼容？

主要发现

• 21厘米亮度温度对暗物质质量（$m_{\rho}$）与重子-暗物质截面（$\sigma_0$）表现出强烈依赖性，尤其在存在PBH的情况下。
• 在 $m_{\rho}$–$\sigma_0$ 参数空间中建立了一个与观测到的EDGES异常（$-500^{+200}_{-500}$ mK）一致的约束区域。
• 针对不同 $m_{\rho}$ 与IDE模型耦合参数，对PBH质量施加了约束，特定模型构型下获得了更紧的限制。
• 评估了三种IDE模型与推导约束的兼容性，结果表明部分模型比其他模型更符合EDGES数据。
• PBH的存在改变了电离介质的热历史，从而改变21厘米信号，并影响推导出的参数空间。
• 本研究表明，PBH与暗物质-重子相互作用可共同解释EDGES异常，而无需对参数进行极端微调。