[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Prospects for obtaining Dark Matter Constraints with DESI

Monica Valluri, Solene Chabanier+30 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出，通过利用暗能量光谱仪（DESI）对Ly-α森林和银河系恒星速度进行广域光谱观测，可显著提升对暗物质性质的约束。结合DESI数据与大尺度宇宙学模拟及代理模型（emulators），该研究实现了对暖暗物质（WDM）、自相互作用暗物质（SIDM）或模糊暗物质（FDM）等非标准冷暗物质模型的精确约束。

ABSTRACT

Despite efforts over several decades, direct-detection experiments have not yet led to the discovery of the dark matter (DM) particle. This has led to increasing interest in alternatives to the Lambda CDM (LCDM) paradigm and alternative DM scenarios (including fuzzy DM, warm DM, self-interacting DM, etc.). In many of these scenarios, DM particles cannot be detected directly and constraints on their properties can ONLY be arrived at using astrophysical observations. The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) is currently one of the most powerful instruments for wide-field surveys. The synergy of DESI with ESA's Gaia satellite and future observing facilities will yield datasets of unprecedented size and coverage that will enable constraints on DM over a wide range of physical and mass scales and across redshifts. DESI will obtain spectra of the Lyman-alpha forest out to z~5 by detecting about 1 million QSO spectra that will put constraints on clustering of the low-density intergalactic gas and DM halos at high redshift. DESI will obtain radial velocities of 10 million stars in the Milky Way (MW) and Local Group satellites enabling us to constrain their global DM distributions, as well as the DM distribution on smaller scales. The paradigm of cosmological structure formation has been extensively tested with simulations. However, the majority of simulations to date have focused on collisionless CDM. Simulations with alternatives to CDM have recently been gaining ground but are still in their infancy. While there are numerous publicly available large-box and zoom-in simulations in the LCDM framework, there are no comparable publicly available WDM, SIDM, FDM simulations. DOE support for a public simulation suite will enable a more cohesive community effort to compare observations from DESI (and other surveys) with numerical predictions and will greatly impact DM science.

研究动机与目标

• 利用DESI的广域光谱观测，通过天体物理观测量约束非冷暗物质模型。
• 解决当前缺乏适用于暖暗物质（WDM）、自相互作用暗物质（SIDM）和模糊暗物质（FDM）等替代暗物质情景的公开模拟数据的问题。
• 通过结合DESI数据与高分辨率流体动力学模拟及代理模型技术，提升暗物质约束的统计精度。
• 通过后处理分析校正方法建模反馈与再电离效应，实现宇宙学与天体物理参数的联合推断。
• 倡导美国能源部资助建设公开的模拟套件，以支持社区范围内的暗物质模型比较研究。

提出的方法

• 利用DESI对约100万个红移z ≲ 5的Ly-α森林光谱进行观测，以探测低密度星系际介质的团聚特性，并推断暗物质性质。
• 将DESI获取的约1000万颗银河系及本星系群恒星的径向速度数据与盖亚（Gaia）天体测量数据结合，以约束银河系晕中全局暗物质分布及亚结构质量函数。
• 构建约10组高分辨率流体动力学模拟网格，采用简化的天体物理模型，以模拟宇宙学参数（包括暗物质本质）对星系际介质响应的影响。
• 开发基于模拟网格训练的快速插值方法（即代理模型），以实现对数百万种参数组合的高效后验推断。
• 应用从辅助全物理星系形成模拟中导出的分析校正方法，以考虑恒星形成与活动星系核（AGN）反馈对Ly-α统计特性的影响。
• 将DESI数据与未来设施（如罗曼空间望远镜、LSST）的数据整合，以拓展在红移与质量尺度上的约束范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 DESI的Ly-α森林数据在多大程度上能提升对非冷暗物质候选者（如WDM或FDM）质量与相互作用截面的约束？
• RQ2 DESI与盖亚的恒星速度测量在多大程度上能约束银河系晕中亚结构质量函数与暗物质分布？
• RQ3 为准确模拟暗物质物理对星系际介质响应的影响，同时考虑天体物理反馈效应，需要达到何种模拟保真度？
• RQ4 基于代理模型的推断技术是否能实现对DESI大规模光谱数据的精确宇宙学参数估计？
• RQ5 为替代暗物质模型建立公开可用的模拟套件，如何能加速社区范围内的暗物质研究进展？

主要发现

• DESI的Ly-α森林观测将获得比以往调查多四倍的类星体光谱，达到约100万条光谱，从而显著提升对低密度星系际介质团聚特性的约束。
• DESI径向速度与盖亚天体测量数据的结合，将能精确绘制银河系暗物质晕及其低质量亚结构的分布图。
• 采用简化天体物理模型的约10组高分辨率流体动力学模拟网格，足以准确建模Ly-α森林功率谱对宇宙学参数（包括暗物质本质）的依赖关系。
• 基于这些模拟网格训练的代理模型可高效插值不同模型结果，仅需数十次完整模拟即可实现对数百万种参数组合的后验推断。
• 从辅助全物理模拟中导出的分析校正方法，可在无需对每组参数重新模拟的情况下，准确考虑反馈效应在Ly-α统计特性中的影响。
• 下一代DESI调查可通过扩展类星体与恒星速度观测，同时提升暗能量与暗物质科学研究的统计精度。