[论文解读] Hot Dark Matter in Cosmology

Joel R. Primack, Michael Groß|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2000

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文研究了热暗物质（HDM）——主要是大质量中微子——在宇宙结构形成中的作用，评估其与现代观测数据的兼容性。研究发现，尽管由于小尺度功率问题，HDM已被冷暗物质（CDM）模型所取代，但在CDM中加入约0.2的HDM（5 eV中微子）可显著改善对星系和星系团分布的拟合。然而，在低Ωm的ΛCDM模型中，HDM的益处有限，Ων ≤ 0.1更受青睐，中微子质量被限制在mν < 5.5 eV（95%置信水平）。

ABSTRACT

Cosmological dark matter in the form of neutrinos with masses of up to a few electron volts is known as hot dark matter. After an historical review of the subject, this article considers constraints on hot dark matter from current data on neutrino oscillations and on cosmology. The atmospheric neutrino oscillation data imply a lower limit on the HDM contribution to the cosmological density $Ω_ν\gsim 0.001$. The possible improvement of low-$Ω_m$ flat ($Λ$CDM) cosmological models with the addition of light neutrinos appears to be rather limited, but$Λ$CDM models with $Ω_ν\lsim 0.1$ may be consistent with presently available data. Data expected soon may permit detection of such a hot dark matter contribution, or alternatively provide stronger upper limits on $Ω_ν$ and neutrino masses.

研究动机与目标

• 评估热暗物质（HDM）在现代宇宙学模型中的可行性，特别是基于新的观测约束。
• 重新评估大质量中微子在结构形成中的作用，尤其是在低物质密度的平坦ΛCDM模型中。
• 利用多探针数据（CMB、APM星系功率谱、莱曼-α森林和球状星团年龄）约束总中微子质量和HDM贡献（Ων）。
• 将CHDM和ΛCHDM模型与观测数据进行比较，特别是在拟合小尺度功率和CMB各向异性方面的表现。
• 评估未来巡天（2dF、SDSS）和弱引力透镜数据是否能够探测或进一步约束HDM信号。

提出的方法

• 使用COBE归一化的原始功率谱并引入倾斜参数（n），以模拟ΛCHDM和ΛCDM模型中的初始密度涨落。
• 应用相对论性中微子引起的小尺度功率自由流抑制，以计算线性功率谱P(k)的截止。
• 整合观测约束：COBE用于CMB各向异性，APM星系巡天用于k ≈ 0.025–0.25 h/Mpc处的P(k)，以及z ≈ 2.5处的莱曼-α森林数据用于高红移功率。
• 利用球状星团的年龄约束（≥13.2 Gyr）以限制模型参数。
• 使用半解析模型和N体模拟，将预测的晕分布与观测结果进行比较。
• 将弱引力透镜数据与CMB各向异性数据结合，以改进对Ων和中微子质量的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Ωm = 1的CDM模型中，包含约5 eV中微子质量的HDM对星系和星系团分布数据的拟合效果如何？
• RQ2 在低Ωm的ΛCDM模型中，HDM的最大允许贡献（Ων）是多少，才能与当前的CMB、星系功率谱和莱曼-α森林数据保持一致？
• RQ3 在同时拟合小尺度CMB各向异性和APM星系功率谱峰时，HDM的加入是否能改善ΛCHDM模型的拟合效果？
• RQ4 目前来自莱曼-α森林和CMB数据的中微子质量约束是否足以探测或排除mν < 1 eV的HDM？
• RQ5 未来的大规模巡天（2dF、SDSS）和弱透镜数据能否解决ΛCHDM和ΛCDM模型中观测与预测的小尺度功率之间的张力？

主要发现

• Ων ≈ 0.2（中微子质量约5 eV）的CHDM模型相比标准CDM模型，能显著改善对邻近星系和星系团分布的拟合。
• Ων ≤ 0.1的ΛCHDM模型与当前数据一致，尤其在Ωm = 0.4–0.6范围内，最佳拟合出现在Ων/Ωm = 0.1，且对于h = 0.65，中微子质量为0.8–1.2 eV。
• 在所有Ωm取值下，总中微子质量被限制在mν < 5.5 eV（95%置信水平），对于0.2 ≤ Ωm ≤ 0.5，限制更紧，为mν < 2.4(Ωm/0.17 − 1) eV。
• Ωm = 0.4–0.5的ΛCDM模型存在过多的小尺度功率（k > 1 h⁻¹ Mpc），而ΛCHDM模型可能又过少，表明在功率谱归一化方面存在潜在张力。
• 高分辨率模拟和2dF与SDSS巡天的形态统计分析有望区分CDM与CHDM模型，尤其体现在对晕和星系团聚的影响上。
• z ≈ 2.5处的莱曼-α森林数据即使对中微子质量低至几分之一eV的HDM信号也能探测到，而结合弱透镜与CMB数据将进一步收紧对Ων的约束。