Detecting Relic Gravitational Waves by Pulsar Timing Arrays: Effects of Cosmic Phase Transitions and Relativistic Free-Streaming Gases
早期宇宙中产生的遗迹引力波（RGW）形成了一个随机的GW背景，可以通过测量毫秒级双星的定时残差来直接探测。在本文中，我们调查的约束RGW和暴胀参数的观测当前和潜在的未来脉冲星定时阵列。特别地，我们着重研究了早期宇宙中各种宇宙相变（如$e^{+}e^{-}$湮灭、QCD跃迁和超对称性破缺）和相对论性自由流气体（中微子和暗流体）的效应，这些效应在以往的工作中被忽略了。我们发现相变可以显著地抑制脉冲星定时阵列敏感频率范围内的RGW，并且张量标量比$r$的上限对于当前和未来的观测都增加了一个因子$\sim 2$.然而，自由蒸汽中微子和暗流体的影响都太小而无法检测到。同时，我们发现，如果早期宇宙的有效状态方程$w$大于$1/3$，即偏离了标准的热大爆炸假设，那么脉冲星定时阵列探测RGW将变得更有希望.
2015-12-23 astro-ph.CO gr-qc
The effect of baryonic streaming motions on the formation of the first supermassive black holes
对红移z > 6的类星体的观测表明，当宇宙年龄小于0.9 Gyr时，10^9 Msol的超大质量黑洞（SMBH）已经形成。对于这些SMBH的起源，有一种假设是它们是从第一代大质量恒星的残余物中生长出来的，这些恒星在z > 20时形成于低质量（~ 10^5到10^6 Msol）的暗物质微晕中。在这个区域，重子流运动--早期宇宙中重子相对于暗物质的相对速度--通过抑制气体的流入和冷却，最强烈地抑制了恒星的形成。我们调查的第一SMBHs使用一套高保真，椭圆形崩溃的Monte Carlo合并树模拟增长的影响。我们发现，抑制种子BH形成的流动运动显着降低了最大质量的BH在z > 15的数密度，但在较低的红移的剩余效应基本上可以忽略不计。流动运动可以使z ~ 10-11处最明亮的类星体的数量密度减少几倍，詹姆斯韦伯太空望远镜可以探测到这些物体。我们的结论是，与轻微的理论警告，重子流运动不太可能构成一个显着的额外障碍，所观察到的高红移类星体SMBHs的形成。它们也不会明显影响宇宙的加热和再电离历史，或者在拟议的引力波探测器感兴趣的质量和红移范围内核黑洞的合并速率。
2013-09-09 astro-ph.CO
Limits on Neutrino-Neutrino Scattering in the Early Universe
在标准模型中，中微子被假定为在宇宙中流动，因为它们最后一次散射是在弱退耦时期，当时标准模型等离子体的温度为~MeV。自由流中微子的剪切应力在宇宙微波背景（CMB）上留下引力印记，使CMB成为中微子散射的灵敏探针。然而，中微子领域中非标准物理的存在可能会改变这一标准年表，并将中微子自由流推迟到更晚的时代。我们利用CMB的观测结果来限制中微子自相互作用G_eff的强度，并限制早期宇宙中微子领域的新物理。最近的测量CMB在大多极普朗克卫星和高-l实验是至关重要的探测这一物理。在常规λ CDM参数的背景下，宇宙学数据与G_eff <1/（56 MeV）^[2]是一致的，中微子自由流可能会延迟到它们的温度冷却到约25 eV。有趣的是，我们还发现了另一种与宇宙学数据相一致的宇宙学，即中微子在$G_{\rm eff} \simeq 1/({\rm 10 \, MeV})^{2} \simeq 8.6\times10^8 G_{\rm F}$附近的一个狭窄区域内相互散射，直到z~10 ^4，并且具有优选的相互作用强度，其中$G_{\rm F}$是费米常数。这种独特的自相互作用中微子宇宙学的特点是标量光谱指数和原始波动的幅度都略低。虽然我们在这里的讨论是根据一个特定的场景，在这个场景中，中微子自由流可能会发生延迟，但我们对中微子可见度函数的限制是非常普遍的。
2014-12-06 astro-ph.CO hep-ph
Note on the chemical potential of decoupled matter in the Universe
宇宙学的教科书展示了自由流动、解耦物质的热力学不一致性。它在这里与化学势有关，化学势偏离其平衡值$μ=αk_BT$，其中$α$是费米-狄拉克或玻色-爱因斯坦分布函数的常用参数。
2011-08-30 astro-ph.CO cond-mat.stat-mech gr-qc
Precision Early Universe Cosmology from Stochastic Gravitational Waves
随机引力波的因果尾可以用来探测自由流相对论性粒子的能量密度，以及测量$g_\star(T)$和作为温度函数的β函数$β(T)$。在发现响亮的随机引力波的事件中，我们证明了LISA可以测量宇宙的自由流动分数到$10^{-3}$水平，比当前的约束灵敏100倍。此外，它将是敏感的$\mathcal{O}(1)$的$g_\star$和QCD $β$功能从它们的标准模型值在温度$\sim 10^5$ GeV的偏差。在这种情况下，许多动机模型，如分裂超对称性和其他解决方案的电弱层次问题将被测试。未来的探测器，如DECIGO，对这些效应的灵敏度将比LISA高100倍，并且能够测试其他有动机的场景，如WIMP和轴子。使用精确的引力波测量来测试这种动机良好的理论的惊人前景提供了一个基准，旨在发展一个精确的理解时，引力波频谱的实验和理论。
2022-10-12 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
The Delay of Population III Star Formation by Supersonic Streaming Velocities
最近已经证明，暗物质和气体之间的相干相对流动速度为30 km / s，在复合后直接渗透到宇宙中，其尺度低于几Mpc。在这里，我们使用一系列高分辨率的移动网格计算表明，这些超音速运动显着影响的气体在minihalos的维里化，并延迟第一颗恒星的形成。当气体以约1 km / s的速度在z ~ 20处进入微晕时，额外的动量和能量输入降低了晕的气体分数和中心密度，使有效冷却所需的典型维里质量增加了三倍，并将星族III恒星的形成延迟了dz ~ 4。由于流速大小的分布在一个不可忽略的值附近有一个狭窄的峰值，这种效应在宇宙的大多数区域都很重要。因此，最小晕质量的增加意味着可以预期冷却并形成第三星族恒星的小晕的绝对数量减少了一个数量级。我们进一步发现，流动的速度增加了微晕气体的湍流速度色散，这可能会影响其破碎的能力，从而改变第一颗恒星的质量函数。
2011-05-23 astro-ph.CO
Probing neutrino interactions and dark radiation with gravitational waves
本研究通过分析自由流辐射对引力波阻尼的调制，聚焦弱相互作用退耦后的非标准中微子相互作用及早期宇宙轻遗迹场景，结合半解析与数值方法，揭示其在宇宙微波背景B模式极化的印记及高频探测途径。
2023-10-27 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Free Streaming Length of Axion-Like Particle After Oscillon/ I-ball Decays
类轴子粒子（ALP）是由弦论预言的赝标玻色子。由于ALPs具有比二次型更浅的势，导致了不稳定性，并能形成孤子/I-ball。虽然对于某些类型的势，介子的寿命可以很长，但它们最终会衰变到现在。我们利用数值格子模拟研究了声子的衰变过程，并计算了声子衰变产生的ALP的平均动量。研究发现，如果在早期宇宙中的光子衰变，ALP的自由流长度变得太长，无法解释小尺度观测的物质功率谱。我们发现，具有长寿命的介子可以改变小尺度上的密度波动，这导致严格的约束ALP质量和介子寿命。
2021-10-12 astro-ph.CO hep-ph
The Dark Universe is not invisible
暗物质（DM）来自于远距离引力观测，它被认为是不与普通物质相互作用或发光的东西。然而，在小得多的尺度上，一些意想不到的太阳活动和动态地球大气的观测可能会出现与上述DM图像相矛盾的DM。因为，引力（自）聚焦效应的太阳或其行星流DM适合作为解释，否则令人费解的11年太阳周期，太阳日冕的神秘加热，大气瞬变等观测驱动，外部影响被忽视的流动不可见的物质调和的调查神秘的行为，显示否则意想不到的行星关系;这是太阳系天体对流动DM的重力聚焦的特征。然后，DM流的聚焦也可能发生在系外行星系统中，这表明首次通过搜索作为系外行星轨道相位函数的相关恒星活动来进行调查。
2021-08-26 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.SR
Exploring neutrino interactions in light of present and upcoming galaxy surveys
本文研究了早期宇宙中微子相互作用对功率谱的影响，利用BOSS数据约束了(6+2)参数模型中的自由流动红移与中微子质量之和，并预测Euclid结合CMB-S4将显著提升约束精度。
2025-03-23 astro-ph.CO hep-ph
Free streaming of warm wave dark matter in modified expansion histories
本研究利用莱曼-α森林观测约束超轻波暗物质参数空间，并评估三种修正膨胀历史对其自由流效应的影响。
2025-06-20 astro-ph.CO hep-ph
Free-Streaming Neutrinos and Their Phase Shift in Current and Future CMB Power Spectra
本研究通过两种模板方法分析中微子自由流对CMB功率谱的相位移影响，发现其在10σ显著性水平上，并预测未来实验将提高测量精度。
2025-09-26 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Free-streaming and Coupled Dark Radiation Isocurvature Perturbations: Constraints and Application to the Hubble Tension
暗辐射（DR）作为一个新的物理候选者出现在标准模型之外的各种场景中。虽然经常假设DR中的扰动是绝热的，但如果在暴胀期间存在多个场，并且其衰变产物并不都彼此热化，则它们可以容易地具有等曲率分量。通过实施适当的等曲率初始条件（IC），我们仅从普朗克2018年的完整数据中推导出对不相关和相关DR密度等曲率扰动的约束，并与其他宇宙学数据集相结合。我们对自由流DR（FDR）的研究更新和推广了现有的中微子密度等曲率扰动的限制，包括不同数量的相对论自由度，并耦合DR（CDR）等曲率，我们推导出第一个界限。我们还表明，CDR质量新的物理效应相比，FDR。一个这样的效果是，对于等曲率IC，FDR与CDR相比产生更大的CMB各向异性-与绝热情况相反。更一般地，我们发现DR等曲率光谱的蓝色倾斜是优选的。这使得哈勃常数$H_0$的值比标准的$Λ$ CDM+ $ΔN_{\rm eff}$宇宙学的绝热光谱更大，并放松了$H_0$张力。
2022-05-10 astro-ph.CO hep-ph
Warm dark matter chills out: constraints on the halo mass function and the free-streaming length of dark matter with 8 quadruple-image strong gravitational lenses
暗物质的自由流长度取决于基本的暗物质物理，并决定了亚星系尺度上暗物质晕的丰度和浓度。利用八个四倍像的类星体的像位置和通量比，我们约束了暗物质的自由流长度和次晕质量函数（SHMF）的振幅。我们模拟了主偏转器下晕和沿视线的晕，并考虑了暖暗物质（WDM）自由流对质量函数和质量浓度关系的影响。通过使用一组模拟晕校准SHMF与宿主晕质量和红移的标度，我们推断出SHMF的全球归一化。我们占有限大小的背景源，并边缘化的主要偏转器的质量配置文件。参数化暗物质自由流通过半模质量$m_{\rm{hm}}$，我们约束热遗迹粒子质量$m_{\rm{DM}}$对应于$m_{\rm{hm}}$。在$95 \%$ CI：$m_{\rm{hm}} < 10^{7.8} M_{\odot}$（$m_{\rm{DM}} > 5.2 \ \rm{keV}$）。相对于后验分布的峰值，我们不支持似然比分别为7：1和30：1的$m_{\rm{DM}} = 4.0 \rm{keV}$和$ m_{\rm{DM}} = 3.0 \rm{keV}$。假设冷的暗物质，我们约束的投影质量之间的子结构$10^6 - 10^{9} M_{\odot}$近透镜图像。在$68 \%$ CI处，我们推断出对应于平均投影质量分数$\bar{f}_{\rm{sub}} = 0.035_{-0.017}^{+0.021}$的$2.0 - 6.1 \ti…
2019-11-11 astro-ph.CO astro-ph.GA
Formation of First Galaxies inside Density Peaks and Voids under the Influence of Dark Matter-Baryon Streaming Velocity, I: Initial Condition and Simulation Scheme
我们提出了一个系统的研究宇宙的变化，存在于第一个恒星和星系的形成。我们专注于宇宙的变化引起的大规模的密度和速度环境刻在时代的重组。密度环境主要由暗物质过密度决定，速度环境主要由暗物质-重子流速度决定。为此，我们引入了一个新的宇宙学初始条件发生器BCCOMICS，它解决了小尺度扰动下的大尺度密度和流速环境的准线性演化，并产生初始条件的暗物质和重子，无论是粒子或网格数据在一个特定的红移。我们还描述了一个计划来模拟密度峰值和空隙内的第一个星系的形成，其中一个局部环境被视为一个单独的宇宙。作为一个应用程序，在微晕数密度和冷却质量的量所产生的宇宙方差。密度峰值成为增强第一星系形成的场所，这与暗物质-重子流速度对结构形成的负面影响竞争。
2018-11-28 astro-ph.CO
Interacting radiation after Planck and its implications for the Hubble Tension
标准宇宙学预测，在物质辐射相等之前，大约41%的能量密度是自由流中微子。但是，在许多超出标准模型的方案中，此组件的数量和自由流性质会被修改。例如，这发生在具有新的中微子自相互作用或具有相互作用的光粒子的额外暗扇区的模型中。我们考虑了标准宇宙学的几个扩展，其中包括非自由流动的辐射组件，这些粒子物理模型的动机，并使用最终的普朗克数据发布来约束它们。这一版本在极化可能性方面有了重大改进，这在区分自由流和相互作用的辐射种类方面发挥了重要作用。固定辐射中的总能量以匹配标准中微子退耦的期望，我们发现在95% CL下自由流辐射的分数必须是$f_\mathrm{fs} > 0.8$（结合温度、极化和重子声学振荡数据）。考虑到自由流和相互作用辐射的任意贡献，新的非自由流自由度的有效数量被限制为在95% CL时为$N_\mathrm{fld} < 0.6$。具有额外辐射的宇宙学也被认为可以缓解当前膨胀率$H_0$的局部测量和CMB推断之间的差异。我们表明，包括一个非自由流动的辐射组件允许更大量的总能量密度的辐射，导致温和的改善，适合宇宙学数据相比，以前讨论的模型，只有一个自由流动的组件。
2020-04-09 astro-ph.CO hep-ph
The Influence of Streaming Velocities on the Formation of the First Stars
第一颗恒星是如何、何时、何地形成的，是关于宇宙黎明时代的基本问题。流体方程中的二阶效应最近被发现做出了重大贡献：气体和暗物质之间的偏移速度，即所谓的流动速度。先前对有限数量的低质量暗物质晕的模拟表明，这种流动速度可以延迟第一批恒星的形成，并降低低质量区域的晕气体分数和晕质量函数。然而，系统的探索，其影响在大样本的晕一直缺乏到现在。在本文中，我们提出了一组宇宙学模拟的结果与不同的流动速度进行移动网格代码AREPO的宇宙区域。我们的模拟具有非常高的质量分辨率，使我们能够准确地解决小到$10^5 \: {\rm M_{\odot}}$的迷你晕。我们表明，在没有流，最小的质量晕，包含冷气体有一个质量$M_{\rm halo, min} = 5 \times 10^{5} \: {\rm M_{\odot}}$，但冷却只成为有效的晕质量大于$M_{\rm halo,50\%} = 1.6 \times 10^6 \: {\rm M_{\odot}}$在大多数晕。在具有非零流动速度的区域中，$M_{\rm halo, min}$和$M_{\rm halo,50\%}$两者都显著增加，对于局部流动速度的值的每一个西格玛增加大约几倍。因此，在流速为$v_\mathrm{stream} \ge 3\,σ_\mathrm{rms}$的区域，迷你晕中气体的冷却被完全抑制，这意味着这些区域中的第一颗恒星形…
2018-11-30 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Lyman-$α$ forest as a diagnostic of the nature of the dark matter
观测到的莱曼- $α$通量功率谱（FPS）在低于$\sim~ 30~{\rm km~s}^{-1}$的尺度上受到抑制.这种截止可能是由于吸收气体的高温$T_0$和高压$p_0$，或者，它可以反映早期宇宙中暗物质粒子的自由流动。我们进行了一组非常高分辨率的宇宙学流体动力学模拟，其中我们改变$T_0$，$p_0$和暗物质自由流的振幅，并比较模拟光谱的FPS的数据。我们发现，暗物质自由流截止尺度的位置与红移不同，比热效应产生的截止，并在更高的红移更明显。因此，我们将重点放在与在$z>5$观察到的FPS的比较上。我们证明，FPS截止可以假设冷暗物质，但它也可以同样很好地假设，由$\sim 7$千电子伏的无菌中微子的暗物质，在这种情况下，截止主要是由于暗物质自由流。
2019-08-07 astro-ph.CO hep-ph
Large-scale variation in reionization history caused by Baryon-dark matter streaming velocity
在宇宙复合时，重子与暗物质之间存在超音速相对运动，这种相对运动起源于早期宇宙中的重子声振荡。这种运动被认为对宇宙再电离后期的影响可以忽略不计，因为相对速度迅速降低。然而，最近的研究表明，小于本地金斯质量（$\lesssim$ $10^8~M_\odot$）的气体云中的复合可以通过增加电离星系际介质所需的紫外光子数量来影响再电离历史。出于这一动机，我们进行了一系列的辐射流体动力学模拟，以调查是否流运动可以产生变化的局部再电离的历史，通过平滑的clusional小尺度结构和降低电离光子预算。我们发现，流速可以在再电离末端红移中增加$Δz_e$ $\sim$ $0.05$ $-$ $0.5$的变化，这取决于X射线预热的水平和电离源的时间演化。当星系的电离效率越往后降低时，这种变化越大。考虑到流运动（$\gtrsim 100$ Mpc）的长空间涨落尺度，它有助于解释类星体观测到的Ly $α$不透明度变化，并在星系际介质的电离场上留下再电离过程中的大尺度印记. X射线源的预再电离加热是另一个关键因素，可以抑制小尺度气体聚集，并可以减少由流动运动引入的$z_e$的变化。
2021-01-22 astro-ph.CO
The effect of Primordial Black Holes and streaming motions on structure formation
原始黑洞可能是宇宙中暗物质的重要组成部分。如果它们存在，它们会在物质功率谱中增加一个泊松分量。额外的能量将加速暗物质晕的出现，为第一批恒星和星系的形成埋下种子。Kashlinsky（2021）提出，额外的速度涨落会加速重子落入暗物质势阱。我们分析了原初黑洞对重子从复合到再电离的坍缩的影响，发现修正是Tseliakhovich \& Hirata（2010）首次发现的功率抑制的百分之几。然而，除了额外的功率，这种校正的动力学效应加速了质量范围为$10^4-10^{5-6}$ M $_\odot$的晕的形成，同时略微减少了质量范围为$10^6-10^8$ M $_\odot$的晕的形成，这证实了早期的分析估计和最近的数值模拟结果。
2022-09-30 astro-ph.CO
