Probing the small-scale matter power spectrum with large-scale 21-cm data
Probing the small-scale matter power spectrum with large-scale 21-cm data
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用大尺度 21 厘米数据探测小尺度物质功率谱
DOI：
10.1103/physrevd.101.063526
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发表时间：
2020
影响因子：
5
通讯作者：
Cyr-Racine, Francis-Yan
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Muñoz, Julian B.;Dvorkin, Cora;Cyr-Racine, Francis-Yan
我们宇宙中物质波动的分布是理解暗物质性质和早期宇宙物理学的关键。不同的观测量已经能够在大尺度上映射这种分布，对应于波数，但较小的尺度仍然受到较少的约束。在这项工作中，我们研究了即将到来的测量中性氢的21厘米线的小尺度物质功率谱的灵敏度。21厘米的谱线是早期恒星形成的一个很有前途的示踪剂，它发生在小的晕（有质量）中，由波数大到的物质超密度形成。在这里，我们预测如何以及21厘米的全球信号，其波动，可以探测宇宙黎明期间的物质功率谱（）。在这两种情况下，我们发现，长波长模式（与）是高度退化的天体物理参数，而模式与更容易观察。这是进一步说明的物质功率谱的主要组成部分，峰值在一个典型的实验测量的21厘米的全球信号和它的波动。我们发现，施加广泛的先验天体物理参数，全球信号实验可以测量的振幅的物质功率谱积分超过百分之几十的精度。另一方面，波动实验可以在没有天体物理学先验知识的情况下，将功率谱限制在两个和两个范围内的相似精度。这项工作中概述的约束将能够在最小尺度上测试暗物质的行为，例如探测全球信号的暖暗物质质量高达14 keV，21 cm波动为14 keV。这可以揭示其他宇宙探测器无法触及的暗物质的性质。
The distribution of matter fluctuations in our universe is key for understanding the nature of dark matter and the physics of the early cosmos. Different observables have been able to map this distribution at large scales, corresponding to wave numbers, but smaller scales remain much less constrained. In this work we study the sensitivity of upcoming measurements of the 21-cm line of neutral hydrogen to the small-scale matter power spectrum. The 21-cm line is a promising tracer of early stellar formation, which took place in small haloes (with masses), formed out of matter overdensities with wave numbers as large as. Here we forecast how well both the 21-cm global signal, and its fluctuations, could probe the matter power spectrum during cosmic dawn (). In both cases we find that the long-wavelength modes (with) are highly degenerate with astrophysical parameters, whereas the modes withare more readily observable. This is further illustrated in terms of the principal components of the matter power spectrum, which peak atboth for a typical experiment measuring the 21-cm global signal and its fluctuations. We find that, imposing broad priors on astrophysical parameters, a global-signal experiment can measure the amplitude of the matter power spectrum integrated overwith a precision of tens of percent. A fluctuation experiment, on the other hand, can constrain the power spectrum to a similar accuracy over both theandranges even without astrophysical priors. The constraints outlined in this work would be able to test the behavior of dark matter at the smallest scales yet measured, for instance probing warm-dark matter masses up tofor the global signal and 14 keV for the 21-cm fluctuations. This could shed light on the nature of dark matter beyond the reach of other cosmic probes.
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