[论文解读] Inhomogeneous Energy Injection in the 21-cm Power Spectrum: Sensitivity to Dark Matter Decay

Yitian Sun, Joshua W. Foster+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文构建了一个完整的框架，用于建模暗物质衰变引起的非均匀能量注入对21厘米功率谱的影响，考虑了空间变化的电离度、重子密度和光子传播。结果表明，未来的HERA观测将能把暗物质衰变寿命的限制提升至∼10²⁸秒——在亚GeV能区范围内超越所有现有极限——凸显了21厘米宇宙学作为探测宇宙黎明期间异常能量注入的独特敏感探针。

ABSTRACT

The 21-cm signal provides a novel avenue to measure the thermal state of the universe during cosmic dawn and reionization (redshifts $z\sim 5-30$), and thus to probe energy injection from decaying or annihilating dark matter (DM). These DM processes are inherently inhomogeneous: both decay and annihilation are density dependent, and furthermore the fraction of injected energy that is deposited at each point depends on the gas ionization and density, leading to further anisotropies in absorption and propagation. In this work, we develop a new framework for modeling the impact of spatially inhomogeneous energy injection and deposition during cosmic dawn, accounting for ionization and baryon density dependence, as well as the attenuation of propagating photons. We showcase how this first completely inhomogeneous treatment affects the predicted 21-cm power spectrum in the presence of exotic sources of energy injection, and forecast the constraints that upcoming HERA measurements of the 21-cm power spectrum will set on DM decays to photons and to electron/positron pairs. These projected constraints considerably surpass those derived from CMB and Lyman-$α$ measurements, and for decays to electron/positron pairs they exceed all existing constraints in the sub-GeV mass range, reaching lifetimes of $\sim 10^{28}\,\mathrm{s}$. Our analysis demonstrates the unprecedented sensitivity of 21-cm cosmology to exotic sources of energy injection during the cosmic dark ages. Our code, $\mathtt{DM21cm}$, includes all these effects and is publicly available in an accompanying release.

研究动机与目标

• 建模暗物质衰变引起的非均匀能量注入对宇宙黎明和再电离期间21厘米功率谱的影响。
• 考虑能量沉积的全部复杂性，包括对气体电离度、重子密度和光子传播的依赖。
• 预测未来HERA 21厘米功率谱测量对暗物质衰变至光子和电子-正电子对的敏感度。
• 证明非均匀效应显著改变预测的21厘米信号形态，必须包含在内才能获得准确约束。
• 发布公开可用的代码DM21cm，实现完整的非均匀处理，供社区使用。

提出的方法

• 开发了一种新的模拟框架DM21cm，通过改进版的21cmFAST，将非均匀暗物质衰变能量注入与21厘米信号演化相耦合。
• 引入红移依赖的能量沉积效率，其随局部气体电离分数和密度变化，反映真实的天体物理条件。
• 对星际介质中的光子传播和衰减进行建模，考虑能量损失和沉积的空间各向异性。
• 采用小时间步长（Δz/(1+z) = 0.002），以确保在强注入情景下亮度温度和功率谱特征的收敛性。
• 在多个红移和注入情景下系统执行收敛性测试，以验证数值稳定性和准确性。
• 采用基于似然的预测方法，推算HERA对暗物质衰变参数（包括寿命、质量及衰变道）的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 由局部气体密度和电离度驱动的暗物质衰变能量注入的空间非均匀性，如何影响21厘米功率谱？
• RQ2 对于不同衰变道（光子与电子-正电子对），非均匀发射与非均匀沉积效率的相对重要性如何？
• RQ3 与均匀模型相比，光子传播效应和能量沉积各向异性在多大程度上改变了预测的21厘米信号形态？
• RQ4 未来HERA测量如何约束暗物质衰变寿命？这些约束与来自CMB和莱曼-α数据的现有极限相比如何？
• RQ5 天体物理背景过程与异常能量注入之间的相互作用，在暗物质参数估计的退化问题中起到何种作用？

主要发现

• 21厘米功率谱对暗物质衰变引起的非均匀能量沉积极为敏感，其形态强烈受局部气体条件和电离状态影响。
• 对于衰变至光子的通道，能量沉积效率的空间非均匀性主导了信号形态；而对于电子-正电子对衰变，发射的空间非均匀性（与暗物质分布一致）最为关键。
• 预测HERA可将亚GeV暗物质的衰变寿命约束在∼10²⁸秒量级，显著优于现有极限。
• 21厘米功率谱测量的约束强于CMB和莱曼-α观测，尤其在晚期能量注入情景（如衰变或p波湮灭）中表现更优。
• 该框架揭示了天体物理建模中X射线光度与低能截止之间的非平凡退化关系，当正确建模非均匀沉积时，该退化关系可被打破。
• 收敛性测试证实了数值稳定性：当时间步长从Δz/(1+z) = 0.002减小到0.001时，功率谱变化低于0.1%，验证了基准模拟设置的可靠性。