[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出利用月球背面的红移21厘米全球谱线探测暗时代（z ≈ 100–35）中的新物理，此时宇宙学效应占主导地位，早于恒星形成之前。文章认为，单个交叉偶极子天线或紧凑阵列可实现超过5σ的显著性，检测标准ΛCDM模型的偏离，例如由暗物质相互作用引起的增强冷却，从而为暗物质衰变或非绝热冷却机制提供清晰的检验。

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.

研究动机与目标

• 利用红移21厘米全球谱线研究暗时代（z ≈ 100–35）的宇宙学与天体物理信号。
• 将标准ΛCDM宇宙学模型与由新物理（如暗物质衰变或非绝热冷却）引起的潜在偏离进行对比检验。
• 实现对21厘米幅度的清晰、高显著性（≥5σ）测量，以区分标准与增强冷却情景。
• 利用月球背面作为射电静默平台，进入地球无法观测的原始15–40 MHz频段。
• 直接探测宇宙学现象（包括暗物质相互作用）在第一颗恒星形成之前的情况。

提出的方法

• 在月球背面部署单个交叉偶极子天线或紧凑阵列，测量全球21厘米谱线。
• 目标频段为15–40 MHz（z ≈ 100–35），对应于宇宙黎明之前暗时代中的红移21厘米信号。
• 以高精度测量21厘米功率谱的幅度，从而区分标准宇宙学与存在额外冷却的模型。
• 在标准ΛCDM和替代冷却机制（如具有微弱电荷的暗物质粒子引起的冷却）下建模预期的21厘米信号。
• 利用月球背面无地球与电离层干扰的特性，实现高动态范围与低系统温度。
• 应用统计显著性阈值（≥5σ），以区分标准模型与从EDGES在78 MHz（z ≈ 17）处探测到的吸收深谷所推断的偏离。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在月球背面以足够灵敏度测量暗时代（z ≈ 100–35）的红移21厘米全球谱线，以探测标准ΛCDM模型的偏离？
• RQ2 在暗时代，21厘米信号的预期幅度是多少？在由暗物质相互作用引起的增强重子冷却模型下，其表现有何不同？
• RQ3 单个交叉偶极子天线或紧凑阵列在多大程度上可实现>5σ的灵敏度，以区分标准宇宙学与非绝热冷却情景？
• RQ4 在缺乏早期恒星的条件下，重子与具有电子质量的微弱带电暗物质粒子之间的相互作用如何影响21厘米信号？
• RQ5 暗时代的21厘米信号能否作为独立于早期星系形成天体物理不确定性的清晰宇宙学探针，用于探测新物理？

主要发现

• 暗时代（z ≈ 100–35）的21厘米信号主要受宇宙学效应主导，包括暗物质相互作用，且不受早期天体物理源的影响。
• 在月球背面部署的单个交叉偶极子天线或紧凑阵列，可实现足够灵敏度，以超过5σ的显著性区分标准ΛCDM与存在增强冷却的模型。
• EDGES在78 MHz（z ≈ 17）处探测到异常深的吸收谷，暗示存在非标准冷却，这促使将观测扩展至更早的宇宙时代（z ≈ 100–35），以检验此类机制。
• 月球背面提供了射电静默环境，使人类得以进入15–40 MHz频段，而该频段在地球上受电离层和地面射频干扰严重阻挡。
• 在暗时代，21厘米信号预计会出现深谷，其深度对暗物质性质与重子冷却机制高度敏感。
• 所提出的测量方法为新物理提供了强大且清晰的探针，因其独立于第一代发光天体形成与演化过程中的不确定性。