[论文解读] Imprints of fermionic and bosonic mixed dark matter on the 21-cm signal at cosmic dawn

Sambit K. Giri, Aurel Schneider|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2022

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 117被引用 32

一句话总结

本文研究了在宇宙黎明期间，混合暗物质情景（包含费米子型，即惰性中微子，或玻色子型，即超轻轴子）的非冷暗物质成分如何在21厘米信号上留下独特的印记。通过基于晕模型的21厘米全局信号与功率谱模拟，作者预测，平方公里阵列（SKA）将能够约束非冷暗物质的质量与占比，得出严格的限制：对于费米子型暗物质，当fnCDM ≈ 1时，其热态质量mnCDM > 15 keV（95%置信水平）；对于玻色子型暗物质，相同条件下mnCDM > 2 × 10⁻²⁰ eV。

ABSTRACT

The 21-cm signal from the epoch of cosmic dawn prior to reionization consists of a promising observable to gain new insights into the dark matter (DM) sector. In this paper, we investigate its potential to constrain mixed (cold + non-cold) dark matter scenarios that are characterised by the non-cold DM fraction ($f_{ m nCDM}$) and particle mass ($m_{ m nCDM}$). As non-cold DM species, we investigate both a fermionic (sterile neutrino) and a bosonic (ultra-light axion) particle. We show how these scenarios affect the global signal and the power spectrum using a halo-model implementation of the 21-cm signal at cosmic dawn. Next to this study, we perform an inference-based forecast study based on realistic mock power spectra from the Square Kilometre Array (SKA) telescope. Assuming inefficient, yet non-zero star-formation in minihaloes (i.e. haloes with mass below $10^8$ M$_{\odot}$), we obtain stringent constraints on both $m_{ m nCDM}$ and $f_{ m nCDM}$ that go well beyond current limits. Regarding the special case of $f_{ m nCDM}\sim 1$, for example, we find a constraint of $m_{ m nCDM}>15$ keV (thermal mass) for fermionic DM and $m_{ m nCDM}>2 imes10^{-20}$ eV for bosonic DM. For the opposite case of dominating cold DM, we find that at most one percent of the total DM abundance can be made of a hot fermionic or bosonic relic. All constraints are provided at the 95 percent confidence level.

研究动机与目标

• 研究冷暗物质与非冷暗物质混合情景下，非冷暗物质对宇宙黎明期间21厘米信号的印记。
• 评估平方公里阵列（SKA）在约束费米子型（惰性中微子）与玻色子型（超轻轴子）非冷暗物质成分方面的潜力。
• 基于SKA-Low的真实模拟功率谱，提供非冷暗物质质量与丰度的定量预测。
• 探讨非冷暗物质导致的小尺度功率抑制与自由流效应如何影响21厘米信号的幅度与尺度依赖性。

提出的方法

• 采用晕模型实现方法，计算混合暗物质情景下的21厘米全局信号与功率谱。
• 通过非冷暗物质占比fnCDM与粒子质量mnCDM对非冷暗物质进行参数化，适用于费米子型（WCDM）与玻色子型（FCDM）模型。
• 在极小晕（M < 10⁸ M⊙）中应用真实星形成模型，引入非零但效率低的星形成过程，以计算源贡献。
• 基于模拟的SKA-Low功率谱，采用贝叶斯推断方法进行预测，获得95%置信水平下的约束结果。
• 使用修改版的21厘米信号代码工具21cm，模拟红移z ≈ 10–25范围内的21厘米信号。
• 采用emcee进行马尔可夫链蒙特卡洛采样，对模拟数据执行参数推断。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米子型与玻色子型非冷暗物质成分如何改变宇宙黎明期间的21厘米全局信号与功率谱？
• RQ2 平方公里阵列（SKA）在混合暗物质情景下，能对非冷暗物质的质量与丰度施加何种约束？
• RQ3 非冷暗物质导致的小尺度功率抑制与自由流效应如何影响21厘米信号的幅度与尺度依赖性？
• RQ4 极小晕中非零星形成对混合暗物质模型中21厘米信号的可探测性与解释有何影响？

主要发现

• 当fnCDM ≈ 1时，对于费米子型非冷暗物质成分，SKA预测在95%置信水平下，其质量下限为mnCDM > 15 keV（热态质量）。
• 当fnCDM ≈ 1时，对于玻色子型非冷暗物质成分，SKA预测在95%置信水平下，其质量下限为mnCDM > 2 × 10⁻²⁰ eV。
• 在冷暗物质占主导（fnCDM ≪ 1）的极限情况下，SKA将非冷成分约束在总暗物质丰度的1%以内。
• 21厘米功率谱因非冷暗物质而表现出尺度依赖的抑制，其中玻色子型（模糊）暗物质的截止更陡峭，相较于费米子型（温热）暗物质。
• 在极小晕中引入效率低下的星形成过程，增强了21厘米信号对非冷暗物质的敏感性，从而提升了约束能力。
• 本研究表明，SKA-Low观测将对非冷暗物质提供远强于当前观测限制的约束，尤其对超轻轴子类粒子而言。