[论文解读] Exploring delaying and heating effects on the 21-cm signature of fuzzy dark matter

Debanjan Sarkar, Jordan Flitter+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2022

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 94被引用 22

一句话总结

本文通过将改进后的21cmvFAST代码与CLASS接口连接，结合相对速度、莱曼-沃纳反馈以及莱曼-α/CMB加热效应，在模糊暗物质（FDM）宇宙学模型中模拟了21厘米全球信号。尽管存在延迟和加热机制导致信号减弱，研究发现HERA在前景条件乐观时可探测到高达10⁻¹⁸ eV的FDM粒子质量，在更现实的情况下亦可探测至10⁻¹⁹ eV。

ABSTRACT

In the fuzzy dark matter (FDM) model, dark matter is composed of ultra-light particles with a de Broglie wavelength of $\sim$kpc, above which it behaves like cold dark matter (CDM). Due to this, FDM suppresses the growth of structure on small scales, which delays the onset of the cosmic dawn (CD) and the subsequent epoch of reionization (EoR). This leaves potential signatures in the sky averaged 21-cm signal (global), as well as in the 21-cm fluctuations, which can be sought for with ongoing and future 21-cm global and intensity mapping experiments. To do so reliably, it is crucial to include effects such as the dark-matter/baryon relative velocity and Lyman-Werner star-formation feedback, which also act as delaying mechanisms, as well as CMB and \lya heating effects, which can significantly change the amplitude and timing of the signal, depending on the strength of X-ray heating sourced by the remnants of the first stars. Here we model the 21-cm signal in FDM cosmologies across CD and EoR using a modified version of the public code 21cmvFAST that accounts for all these additional effects, and is directly interfaced with the Boltzmann code CLASS so that degeneracies between cosmological and astrophysical parameters can be fully explored. We examine the prospects to distinguish between the CDM and FDM models and forecast joint astrophysical, cosmological and FDM parameter constraints achievable with intensity mapping experiments such as HERA and global signal experiments like EDGES. We find that HERA will be able to detect FDM particle masses up to $m_{ m FDM}\! \sim \!10^{-19}\,{ m eV}\!-\!10^{-18}\,{ m eV}$, depending on foreground assumptions, despite the mitigating effect of the delaying and heating mechanisms included in the analysis.

研究动机与目标

• 研究模糊暗物质（FDM）如何改变宇宙黎明和再电离期间的21厘米全球信号与涨落。
• 评估关键天体物理延迟机制——重子与暗物质之间的相对速度，以及莱曼-沃纳反馈——对FDM模型中21厘米信号的影响。
• 评估莱曼-α和CMB加热对FDM与CDM情景下信号幅度与触发时机的影响。
• 利用即将开展的21厘米实验（如HERA和EDGES）预测FDM、天体物理与宇宙学参数的联合约束。
• 通过CLASS与21cmvFAST的直接接口，实现CMB与21厘米参数约束的一致性与自洽性。

提出的方法

• 修改公开的21cmvFAST代码，以包含相对速度效应、莱曼-沃纳反馈以及莱曼-α和CMB加热机制。
• 将修改后的21cmvFAST代码与CLASS玻尔兹曼代码集成，以确保在再组合之前宇宙演化的自洽性。
• 为每种宇宙学模型计算红移相关的相对速度效应与反馈参数，以确保对21厘米模拟输入的准确性。
• 利用修改后的代码，在不同粒子质量的FDM宇宙学模型中生成宇宙黎明与再电离期间的21厘米信号模拟结果。
• 通过考虑前景不确定性，利用HERA与EDGES的模拟数据执行联合参数预报。
• 通过全天空与全球信号建模，探索FDM、天体物理与宇宙学参数之间的退化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 与CDM相比，相对速度与莱曼-沃纳反馈在FDM宇宙学中如何影响21厘米信号？
• RQ2 莱曼-α与CMB加热机制在FDM模型中在多大程度上改变了21厘米信号的幅度与触发时机？
• RQ3 在考虑这些额外物理效应的情况下，未来的强度测绘（HERA）与全球信号（EDGES）实验能否区分FDM与CDM？
• RQ4 利用21厘米数据可实现的FDM粒子质量、X射线加热效率及其他天体物理参数的联合约束为何？
• RQ5 FDM、X射线加热及其他天体物理参数之间的退化关系如何影响通过21厘米观测探测FDM的可行性？

主要发现

• 在前景条件乐观的情况下，HERA可探测到高达10⁻¹⁸ eV的FDM粒子质量。
• 在更现实的前景条件下，HERA的灵敏度可延伸至约10⁻¹⁹ eV的FDM质量。
• 与不包含这些效应的模型相比，延迟与加热机制的引入使可探测的FDM质量范围缩小约一个数量级。
• 莱曼-α与CMB加热显著改变了信号的幅度与触发时机，尤其在X射线加热效率较低时更为明显。
• 通过CLASS-21cmvFAST接口对CMB与21厘米数据进行联合分析，可在宇宙学与天体物理参数之间实现稳健且自洽的参数约束。
• FDM、X射线加热及其他天体物理参数之间的退化关系依然显著，但并不妨碍当前及未来21厘米实验对FDM的探测。