Tests of the CMB temperature-redshift relation, CMB spectral distortions and why adiabatic photon production is hard
在膨胀的宇宙中，宇宙微波背景（CMB）的平均温度与TCMB~（1+z）一样依赖于红移z。绝热光子的产生（或破坏）或偏离各向同性和均匀性可能会改变这种标度，并已进行了几次观测测试。在这里，我们解释了为什么“绝热”条件是非常困难的，以建立在这些测试所针对的红移范围。因此，不是导致CMB温度的简单重新缩放，而是应该产生光谱失真，这可以使用COBE/FIRAS来约束。对于晚期光子产生的情况，温度-红移关系（TRR）的测试因此应该被重新解释为弱光谱畸变极限，直接探测光子产生过程的能量依赖性。对于非均匀宇宙学，会产生一个平均的y型扭曲，但这种类型的扭曲可以通过其他几种方式产生。在这里，我们简要讨论可能有助于解开失真信号的不同贡献的可能影响，发现这是非常具有挑战性的。我们还认为，测试的TRR，使用SZ效应的适用性有限，并为非重力变化的TRR的CMB各向异性谱应表现出额外的Y型依赖。
2014-07-11 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Probing early-universe phase transitions with CMB spectral distortions
早期宇宙中的全局破缺相变可以产生导致度规扰动的标度种子网络。这些度规扰动所产生的光子-重子等离子体中的声波，当被Silk阻尼时，会产生宇宙微波背景（CMB）的光谱畸变。在这项工作中，由于缩放种子网络的化学势失真（$μ$）的计算和伴随的康普顿$y$型失真估计。选择的特定模型是用于$N\gg 1$的$O(N)$非线性$σ$模型，但是对于其他缩放种子，结果保持相同的数量级。如果CMB对$O(N)$模型的各向异性约束饱和，则产生的化学势畸变为$μ\lesssim 2\times 10^{-9}$。
2014-05-15 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Revisiting Dark Photon Constraints from CMB Spectral Distortions
重新审视CMB谱畸变对暗光子的约束，发现先前估计符号相反且振幅被低估约1.5倍，并扩展到大畸变区域，表明约束显著弱化，为利用畸变各向异性研究暗光子开辟新途径。
2024-09-18 astro-ph.CO gr-qc hep-th
The synergy between CMB spectral distortions and anisotropies
CMB的光谱畸变和各向异性为研究早期宇宙的能量注入过程提供了独立和互补的探针。在这里，我们讨论了这些观测之间的协同作用，并显示了有前途的未来的光谱失真任务，以约束外来和非外来的能量注入。我们表明，传统的探针，如大爆炸核合成和CMB各向异性可以受益于，甚至超越未来的光谱失真实验。为此，我们在玻尔兹曼代码CLASS中实现了一个统一的框架，以一致地处理光子和重子的热演化。此外，我们给出了一个广泛的和教学的介绍到整个宇宙的热历史的光谱扭曲和能量注入的主题，突出了它们的一些独特的功能和潜力，作为一个新的宇宙学和粒子物理学的探测。
2020-02-05 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Neutrinogenic CMB spectral distortions
该研究提出利用CMB谱畸变缓解有效中微子数无法唯一确定辐射源的简并问题，分析中微子产生的CMB谱畸变机制，指出二者协同可探测以中微子耦合为主的隐藏区，拓展联合实验的参数探测空间。
2025-10-06 astro-ph.CO hep-ph
Beyond y and μ: the shape of the CMB spectral distortions in the intermediate epoch, 1.5x10^4 < z < 2x10^5
我们计算中间型光谱失真的数值解和解析近似。在CMB中检测到μ型畸变（饱和康普顿化）将把能量注入的时间限制在红移2x10^6> z > 2x10^5处，而检测到y型畸变（最小康普顿化）将意味着在红移z< 1.5x10^4处有CMB加热。我们指出，在1.5 × 10 ~ 4 < z × 2 × 10 ~ 5的红移范围内产生的部分康普顿化的光谱畸变比纯y型和μ型畸变信息丰富得多。在此期间产生的光谱介于y和μ型畸变之间，并且敏感地依赖于能量注入的红移。这些中间型失真不能在所有频率下通过y和μ型失真的混合来模仿，反之亦然。这些中间型CMB光谱畸变的测量不仅可以精确地限制早期宇宙中能量释放的数量，而且可以精确地限制机制，例如，粒子湮灭和丝绸阻尼可以与粒子衰变区分开来。中间型失真模板和使用这些模板来计算用户定义的能量注入率的CMB频谱失真的软件代码是公开可用的。
2012-09-12 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Statistical anisotropy in CMB spectral distortions
宇宙微波背景辐射谱$y$畸变各向异性的测量提供了对$0.01\lesssim k{\rm Mpc}\lesssim 1$原始密度扰动统计各向同性的检验。我们计算1点系综平均值的$y$失真各向异性消失的统计各向同性扰动。对于四极统计各向异性，我们发现$4π\langle y_{2m}\rangle=-6.8A_2\times 10^{-9}Y_{2m}(\mathbf d )$与四重勒让德系数的各向异性功率谱$A_2$和$\ell=2$球谐$Y_{2m}(\mathbf d )$的首选方向$\mathbf d $。此外，我们还讨论了统计各向异性宇宙中$y$ -畸变各向异性的宇宙方差。
2019-01-25 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Baryogenesis and CMB spectral distortion from Axions
School of Physics, Beijing Institute of Technology（北京理工大学物理学院）
该研究提出类轴子粒子通过修改标准模型规范场位形引发重子数破坏以产生重子不对称性，且轴子-光子耦合会产生低频趋近常数的CMB谱畸变。
2026-08-12 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Correlating CMB Spectral Distortions with Temperature: what do we learn on Inflation?
探测短波长和长波长宇宙学波动之间的相关性，对于加深当前在微观物理水平上对暴胀的理解具有决定性意义。宇宙微波背景辐射的光谱畸变可能是由宇宙学扰动在暴胀后重新进入哈勃时的耗散引起的。因此，将光谱失真与温度各向异性相关联将提供机会，大大扩大可以测试压缩极限的尺度范围，打开一个新的通货膨胀窗口，补充目前用CMB和LSS探测的窗口。在本文中，我们讨论了各种暴胀机制，可以有效地约束与扭曲温度的相关性。对于其中的一些实现（代表大类模型），我们得到的压缩极限双谱的定量预测，发现它们的振幅高于实验的灵敏度限制，如建议的PIXIE。
2016-06-14 astro-ph.CO hep-ph hep-th
A new probe of Axion-Like Particles: CMB polarization distortions due to cluster magnetic fields
我们建议利用即将开展的宇宙微波背景辐射（CMB）地基实验来探测星系团中类轴子粒子（ALP）与磁场相互作用的信号。在星系团磁场存在下，CMB光子和ALP之间的转换会导致星系团周围CMB的偏振光谱畸变。信号的强度取决于星系团的红移，并将表现出一个独特的空间轮廓周围取决于电子密度和磁场的结构。该失真产生与其他已知的频谱失真（如$y$型和$μ$型）不同的形状，因此可与多频CMB观测分离。该频谱接近于运动学Sunyaev-Zeldovich（kSZ）信号，但可以使用偏振信息与其分离。对于未来的地面CMB实验，如西蒙斯天文台和CMB-S4，我们估计在前景污染，仪器噪声和CMB各向异性的存在下，该信号的可测量性。这种新的途径可以探测ALP质量范围从$10^{-13}$ eV到$10^{-12}$ eV的光子-ALP耦合，其精度比CMB-S4的现有边界高两个数量级。
2020-02-14 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Cosmological constraints from CMB distortion
我们研究了宇宙微波背景（CMB）的$μ$型光谱畸变的绝热和等曲率密度起伏的界限。这种失真的研究是补充CMB测量的光谱指数及其运行，并将有助于限制这些参数在显着更小的尺度。我们发现，检测到的顺序$μ\sim 10^{-7}$将强烈不符合标准的宇宙学模型的一个几乎标度不变的光谱的绝热扰动。此外，我们发现，给定当前CMB对等曲率模式振幅的约束，几乎尺度不变的等曲率模式（常见于许多曲率模型）不能产生显著的$μ$失真。最后，我们表明，未来的实验将强烈约束的等曲率模式的振幅与高度蓝色光谱预测某些轴子模型。
2012-07-25 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Parameterization of temperature and spectral distortions in future CMB experiments
宇宙微波背景辐射的光谱畸变是由康普顿与电子的碰撞引起的。我们回顾了各种计划来表征各向异性CMB与非普朗克谱。我们主张使用几何平均的温度矩作为首选的语言来描述这些光谱失真，无论是理论建模和观测。数值模拟更简单，矩是框架无关的，在散射方面的模式截断是准确的。
2015-01-05 astro-ph.CO gr-qc
Measuring primordial anisotropic correlators with CMB spectral distortions
我们发现，膨胀模型与破碎的旋转不变性产生可测试的非对角签名之间的相关性的$μ$型失真和温度波动的宇宙微波背景。更确切地说，通常由原始矢量场的波动产生的具有四极双谱不对称性的场景，当$|\ell_1-\ell_2|=2$时产生非零的$μ$相关。由于光谱畸变对极小尺度的原始波动很敏感，因此宇宙方差限制的光谱畸变实验可以以高的信噪比检测到这种效应。
2015-10-04 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Spiky CMB distortions from primordial bubbles
在多维势中，在暴胀期间可能通过量子隧穿成核的原始气泡可能留下了一些目前可探测到的遗迹。这些气泡在辐射时代转变为黑洞，这可能解释了LIGO黑洞、超大质量黑洞，并可能在暗物质中发挥重要作用。通常，这些黑洞被向外传播的球形声波包形式的能量赤字所包围。在这项工作中，我们研究如何在重组的时间之前，宇宙等离子体的扰动消散，导致CMB的光谱失真。我们发现在最后一个散射面上可能存在一些罕见的包含巨大黑洞的区域，这些区域产生了潜在的可检测的$μ$型畸变的点状信号。
2020-03-28 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Constraining the Initial Primordial Black Hole Clustering with CMB-distortion
原始黑洞的合并速率取决于它们的初始聚集。在缺乏与短尺度和大尺度相关的原初非高斯性的情况下，原初黑洞在其形成时呈泊松分布。然而，局域型的原初非高斯性可能与大尺度上的原初黑洞相关。我们表明，未来的实验寻找CMB $μ$ -失真将测试的假设初始原生黑洞集群引起的本地非高斯性，而现有的限制已经表明，显着的非高斯性是必要的诱导原生黑洞集群。
2021-09-03 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
CMB spectral distortions as a novel way to probe the small-scale structure problems
在这项工作中，我们考虑CMB光谱畸变作为早期宇宙中的暗物质微观物理的探针。我们表明，未来的实验，如PRISM有可能区分的情况下，提供解决方案的CDM宇宙学的小规模问题。
2017-10-09 astro-ph.CO hep-ph
Bounds on QCD axion mass and primordial magnetic field from CMB $μ$-distortion
在大尺度磁场作用下，CMB光子振荡成轴子会引起CMB谱的畸变。利用COBE对$μ$参数的限制和在视界尺度上具有强度为$B\lesssim 3.2$ nG的均匀磁场，对于KSVZ轴子模型，轴子质量的上限为，$m_a\lesssim 4.8\times 10^{-5}$ eV.另一方面，利用从ADMX实验中得到的被排除的轴子质量$m_a\simeq 3.5\times 10^{-6}$ eV值和束缚在$μ$上的COBE，对于具有当前历元$λ_B\simeq 1.3$ Mpc的相干长度的均匀磁场，对于KSVZ轴子模型和DFSZ轴子模型分别得到了$B\simeq 46$ nG和$B\simeq 130$ nG.导出了PIXIE/PRISM对$B$和$m_a$的预测对$μ$的预期灵敏度。如果未来的PIXIE/PRISM空间飞行任务能够探测到CMB $μ$畸变，并假设大尺度磁场的强度接近其规范值$B\simeq 1-3$ nG，则质量范围为$2\, μ$ eV - $3\, μ$ eV的轴子将是CMB $μ$ -畸变的潜在候选者。
2015-08-19 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Cosmic microwave background spectral distortions from Rayleigh scattering at second order
在严格的二阶宇宙学扰动理论中，首次计算了瑞利散射引起的宇宙微波背景（CMB）谱畸变。在$10^{-2}<k{\rm Mpc}/h<1$处，新的频谱失真对声耗散敏感，这略微扩展了受CMB各向异性约束的尺度。光谱形状不同于温度扰动或来自康普顿散射的任何其他传统光谱失真，诸如$y$和$μ$。新的光谱畸变并不是在宇宙晚期形成的，这与原始$y$畸变退化的热Sunyaev-Zel'dovich效应不同，因为对于瑞利散射来说，光子必须是热的。因此，理想的测量可以将信号与其他效应区分开来，并在重组过程中提取新的信息。假设宇宙学参数与最近的CMB各向异性测量一致，我们发现新的光谱失真是$6.5\times 10^{-3}$ Jy/str，这是一个数量级小于目前提出的目标灵敏度范围的航程2050。
2022-04-18 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Axion production and CMB spectral distortion in cosmological tangled magnetic field
在复合时期之前，由于纠缠磁场中的光子-轴子混合和磁场阻尼而产生的轴子产生可以产生宇宙微波背景（CMB）光谱失真。特别是，这两个过程的贡献CMB $μ$失真的情况下，共振光子轴子混合的研究。假设磁场功率谱近似为幂律$P_B(k)\propto k^n$，谱指数为$n$，结果表明，对于磁场截止尺度$172.5$ pc $\leq λ_B\leq 4\times 10^3$ pc，轴子对CMB $μ$畸变的贡献小于宇宙等离子体中磁场阻尼的贡献.利用COBE上限对$μ$和磁场尺度的$λ_B\simeq 415$ pc进行了研究，发现了DFSZ轴子模型和轴子质量$m_a\geq 2.6\times 10^{-6}$ eV的磁场强度（$B_0\leq 8.5\times 10^{-8}$ G）比其它研究的极限弱10倍，并对PIXIE/PRISM对$μ$的预期灵敏度进行了预测.
2015-08-20 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Science with CMB spectral distortions
COBE/FIRAS的测量表明，CMB光谱非常接近于理想黑体。然而，在早期宇宙中有许多过程应该会造成光谱扭曲，其程度在当今技术的范围内。在这次演讲中，我将简要概述最近的理论和实验发展，解释为什么未来对CMB光谱的测量将为早期宇宙和粒子物理打开一扇未探索的窗口，可能会有非标准的惊喜，但也有几个保证的信号在等待着我们。
2014-05-27 astro-ph.CO hep-th
Cosmic Rays and Spectral Distortions from Collapsing Textures
我们计算了宇宙纹理的标度分布的解旋产生的光子和中微子的能谱，并讨论了高能宇宙射线谱和CMB谱畸变的影响。纹理导致对光子通量的贡献，其按$E^3 F(E) \sim E^{3/2}$缩放。因此，对纹理模型的最严格约束来自原始光子可以到达我们而不被CMB和其他前景散射的最高能量。纹理导致$μ$型和$y$型失真。虽然来自当前COBE边界的纹理模型上的约束比来自CMB的角功率谱的边界弱，但未来的调查（例如PIXIE）可以导致更强的边界。高能量中微子通量的约束从皮埃尔俄歇实验的数据，并产生一个约束的能量尺度的纹理，这是竞争的CMB边界。
2020-09-10 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Primordial trispectra and CMB spectral distortions
研究了宇宙微波背景温度（T）各向异性和化学势（$μ$）畸变之间的相关性产生的$TTμ$双谱，分析了它对原初局域三谱参数$g_{\rm NL}$和$τ_{\rm NL}$的依赖性.我们交叉检查我们的结果，通过比较完整的双谱计算与预期从一般的物理参数，根据预测的形状$μ$ -T的相关性从短和长的扰动模式之间的耦合引起的原始非高斯性。我们表明，$both$ $g_{\rm NL}$和$τ_{\rm NL}$ -原始三谱源的一部分，一个非零的$TTμ$信号，相反的$μμ$自相关函数，这是敏感的，只有$τ_{\rm NL}$ -组件。一个简单的基于Fisher矩阵的预测表明，未来的宇宙方差主导实验原则上可以使用$TTμ$检测$g_{\rm NL} \sim 0.4$和$τ_{\rm NL} \sim 40$。
2016-03-16 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Forecasts for CMB μ- and i-type spectral distortion constraints on the primordial power spectrum on scales 8 < k < 10^4 Mpc^-1 with the future Pixie-like experiments
红移为1.5 x 10^4 < z < 2 x 10^6的丝绸阻尼消除了对应于同向波数8 < k < 10^4 Mpc^-1（10^5 < \ell < 10^8）尺度上的CMB各向异性。这种耗散的能量被CMB吸收，在μ型和i型CMB光谱中产生黑体畸变。我们研究，使用Fisher矩阵，我们可以从测量这些频谱失真的原始功率谱从未来的实验，如Pixie的约束，以及这些约束如何改变，因为我们改变的频率分辨率和灵敏度的实验。我们表明，额外的信息的形状的$i$型失真，结合μ型失真，使我们能够打破这些尺度上的功率谱的幅度和谱指数之间的简并性，并导致更严格的约束。考虑到y型畸变的部分简并度和CMB黑体部分的温度，我们量化了μ型畸变和i型畸变中包含的信息。我们还计算了原始功率谱的约束时，光谱失真的信息相结合的CMB各向异性测量的WMAP，SPT，ACT和普朗克实验。
2013-06-20 astro-ph.CO hep-ph
Anisotropic CMB distortions from non-Gaussian isocurvature perturbations
我们计算了非高斯中微子等曲率密度（NID）模式下CMB $μ$ -畸变及其与温度各向异性的互相关角功率谱。虽然纯高斯NID扰动仅对$<μ>$和消失的$< μT>$给出次显性贡献，但当NID扰动$\mathcal S(\mathbf x)$与高斯场$g(\mathbf x)$的平方成比例时，即$\mathcal S({\mathbf x})\propto g^2({\mathbf x})$，后者的量可以大到足以在将来被检测到。特别地，可以实现大的$< μT>$，因为高斯平方扰动可以产生相对大的双谱，满足来自CMB各向异性的功率谱的约束，即$k_0=0.05$ Mpc $^{-1}$处的$\mathcal{P}_\mathcal{SS}(k_0) \sim\mathcal{P}_g^2(k_0)\lesssim10^{-10}$。我们还预测了CMB温度和E模式偏振双谱的约束，并表明$\mathcal{P}_g(k_0)\lesssim10^{-5}$将允许从普朗克数据。我们发现，$< μ>$和$|l(l+1)C^{μT}_l|$可以分别与$10^{-9}$和$10^{-14}$一样大，与不相关的尺度不变NID扰动$\mathcal{P}_g(k_0)=10^{-5}$。当高斯场的光谱是蓝倾斜的（光谱指数为$n_g \simeq 1.5$）时，$< μT>$可以增强一个数量级。
2014-12-15 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
New CMB spectral distortion constraints on decaying dark matter with full evolution of electromagnetic cascades before recombination
当前对在使用CMB谱畸变的复合时期之前以高能粒子形式注入能量的约束假设所有能量进入$y$和$μ$型畸变。我们重新审视这些限制与精确计算的频谱失真，通过不断发展的电磁级联。实际的光谱畸变在形状和幅度上不同于$y$型畸变，并且取决于注入粒子的能量和性质。对诸如暗物质衰变等能量注入过程的约束可以放宽多达5倍。
2019-07-03 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Testing kinetically coupled inflation models with CMB distortions
与爱因斯坦张量动力学耦合的暴胀场景已经被广泛研究。它们可以与当前的观测数据相一致。未来的实验对CMB失真的测量将潜在地扩展有关标量频谱的信息到小尺度$1 \Mpc^{-1} \lesssim k \lesssim 2 \times 10^4 \Mpc^{-1}$。以PIXIE实验的灵敏度为判据，对动力学耦合暴胀光谱畸变的观测前景进行了模型导向的分析。在参考文献\cite{Martin2013a}中列出的49个单场暴胀模型中，有5个模型可能产生可检测的扭曲水平。这些模型是：谷中混合暴胀（VHI）、非正则凯勒暴胀（NCKI）、广义MSSM暴胀（GMSSMI）、广义重整化点暴胀（GRPI）和运行质量暴胀（RMI）。这些模型中的每一个都可以满足普朗克对光谱倾斜的约束，并导致在其参数空间的调谐区域中与CMB失真相关的尺度上的功率增加。动力学耦合的存在抑制了VHI，GMSSMI和GRIPI的模型参数与质量维度的值，使得这三个模型可以与它们的理论考虑相一致。然而，所有这些模型的调谐区域未能满足张量模式的约束。
2020-04-28 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Constraints on primordial magnetic fields from CMB distortions in the axiverse
自从PIXIE和PRISM被提出以来，测量宇宙微波背景（CMB）的光谱畸变作为宇宙学背景下高能粒子物理的探测器引起了相当大的关注。在本文中，由于CMB光子和轻轴子类粒子（ALPs）之间的共振转换的CMB失真进行了研究，激发弦轴向的情况下，这表明存在着丰富的轻轴子粒子。由于这些共振转换取决于原始磁场的强度，对CMB畸变的约束可以提供光子-ALP耦合常数g和原始磁场B的共动强度的乘积的上限。PIXIE/PRISM的潜在可行约束可以为ALP质量设定g B < 10^{-16} GeV^{-1} nG的极限，m_e < 10^{-14} eV。虽然这个结果不是对g和B的直接约束，但它明显比当前g和B上限的乘积更严格。
2013-09-01 astro-ph.CO hep-ph
CMB spectral distortions from continuous large energy release
精确计算宇宙微波背景辐射（CMB）的光谱畸变是约束红移$z\gtrsim 10^3$能量释放的前提。现有的文献集中在对背景黑体光谱的小扰动的失真上。在高红移（$z\gtrsim 10^6$）下，这个假设可能会被打破，CMB光谱至少在其宇宙演化的部分过程中会被显著扭曲。在本文中，我们进行了精确的热化计算，在一般的，完全非线性的方式发展扭曲的CMB光谱，一贯占时间依赖性的注入过程中，修改哈勃膨胀率和相对论性康普顿散射。具体来说，我们研究单能量注入和衰变粒子的情况下，讨论这些情况下的约束。我们解决热化问题，使用两个独立的数值方法，现在可在{ \tt CosmoTherm}作为专用的设置计算CMB频谱失真的大失真制度。新的非线性效应在低频率进一步强调，表明这些值得更严格的研究。这项工作消除了一个长期存在的简化CMB光谱失真的计算，这也开辟了道路，以更严格的治疗引起的扭曲高能粒子级联，软光子注入和原始黑洞附近。
2021-12-13 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-th
CMB Spectral Distortions: A Multimessenger Probe of the Primordial Universe
本文回顾CMB谱畸变研究的关键科学目标，提出结合下一代实验与引力波、21厘米宇宙学等互补探针，可实现对奇异物理场景的模型区分，为原初宇宙研究提供新的多信使探测路径。
2024-06-18 astro-ph.CO hep-ph
Spectral distortions of the CMB dipole
我们考虑了与原始复合辐射（PRR）和原始$y$ -和$μ$ -畸变有关的宇宙微波背景（CMB）偶极子各向异性的畸变。这些信号是由于我们相对于CMB静止坐标系的运动而产生的，并表现为CMB温度偶极子的频率依赖性失真。对于首阶，CMB偶极子的预期相对失真不依赖于特定的观测方向，并且在1 - 700 GHz的频率范围内，对于PRR-和$μ$ -失真达到$10^{-6}$的水平，对于$y$ -失真达到$10^{-5}$的水平。由残余CMB畸变的偶极各向异性引起的温差依赖于观测方向。对于相互相反的方向，共线的CMB偶极轴，温度差，因为PRR-和$μ$ -偶极各向异性达到值$ΔT\simeq 10\,$ nK在考虑的范围内。由$y$ -偶极各向异性引起的温差可达到高达$1\,μ$ K的值。所考虑的效果的关键特征如下：（i）效果的观测不需要绝对校准;（ii）可以选择具有最小前景污染的天空块。因此，未来CMB偶极子失真的测量将提供一种直接检测PRR、$y$和$μ$失真的替代方法。$y$失真偶极子可以用PIXIE在几个标准差下检测到。
2015-09-11 astro-ph.CO
Mixed Inflaton and Spectator Field Models: CMB constraints and $μ$ distortion
我们讨论了混合暴胀和旁观者场模型，这两个领域是负责所观察到的密度波动。我们使用当前的CMB数据来约束一般的混合模型以及一些特定的代表性方案，并将结果与CMB光谱$μ$失真的模型预测进行比较。我们发现后验分布的$μ$使用MCMC链，并表明，标准的单场暴胀子模型通常预测$μ\sim 10^{-8}$与一个相对较窄的分布，而对于混合模型，分布变得更广泛，和$μ$可以大几乎一个数量级。因此，未来的$μ$畸变实验可以为原始扰动混合源模型的临界检验提供工具。
2015-11-30 astro-ph.CO hep-ph
Exploring compensated isocurvature perturbations with CMB spectral distortion anisotropies
我们发展了一个线性微扰理论的光谱$y$ -扭曲的宇宙微波背景（CMB）。在复合时期产生的$y$ -失真通常是可以忽略的，因为能量转移由于康普顿散射强烈抑制在那个时候，但他们可以是显着的，如果有相当数量的补偿等曲率扰动（CIP），这是不严格限制从目前的CMB观测。线性$y$ -畸变明显依赖于重子密度涨落，因此$y$各向异性可以完全解决重子等曲率扰动和冷暗物质扰动之间的简并性.这种新颖的方法是免费的透镜污染，可以影响以前的方法的CIP的基础上的非线性调制的CMB各向异性。我们计算了$y$ -畸变与CMB温度和$E$模偏振各向异性的互相关函数。它们对由$f'\equiv\mathcal P_{\rm CIPζ}/\mathcal P_{ζζ}$参数化的相关CIP敏感，其中$\mathcal P_{ζζ}$和$\mathcal P_{\rm CIPζ}$是绝热扰动的自相关以及它们与CIP之间的互相关。我们调查如何以及$y$各向异性将约束$f'$在未来的观测，如提供的PIXIE和PRISM类调查，LiteBIRD和宇宙方差有限（CVL）调查，考虑到由于存在的Sunyaev Zel'dovich效应从星系团的约束力的退化。例如，我们的预测表明，有可能在68% C. L.时达到$f'< 2 \times 10^{5}$的上限。LiteBIRD和$f'<2\times 10^{4}$与CVL观察。
2018-09-07 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Evading the CMB $μ$-distortion bound on Supermassive Primordial Black Hole seeds with Non-Gaussian tails
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Chengdu University of Technology（成都理工大学）
研究超大质量原初黑洞种子质量范围受宇宙微波背景辐射μ畸变限制问题，通过非微扰δN形式，分析四类高斯核族尾部，计算畸变限制的原初黑洞丰度，发现分数势动力学代数尾和重对数正态尾可满足种子丰度需求。
2026-07-14 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
The evolution of CMB spectral distortions in the early Universe
宇宙微波背景（CMB）的能谱允许在早期宇宙中限制能量释放的片段。在本文中，我们重新审视和改进宇宙热化问题的计算。为此，开发了一种新的代码，称为CosmoTherm，它允许在膨胀的各向同性宇宙中求解耦合光子-电子玻尔兹曼方程，以获得CMB中的小光谱失真。我们明确计算的形状的能量释放所造成的频谱失真由于（i）湮灭暗物质;（ii）衰变残留粒子;（iii）声波的耗散;和（iv）准瞬时加热。我们还证明了（v）CMB光子与绝热冷却的非相对论电子和重子的连续相互作用在GHz谱带内引起负μ型CMB谱畸变DI_nu/I_nu~10 ^{-8}。我们解决了热化问题，包括改进的双康普顿和韧致辐射发射率的近似，以及宇宙学重组过程的最新治疗。当红移z <~10^3时，物质开始冷却，大大低于CMB的温度，因此在非常低的频率下，自由-自由吸收会显著改变原初扭曲的形状。此外，冷却电子向下散射CMB光子，在高频下引入小的后期负y型失真。我们还讨论了我们的结果，在最近提出的CMB实验Pixie，CosmoTherm应该允许详细的预测。我们目前的计算表明，能量注入，因为（ii）和（iv）Pixie应该允许改善现有的限制，而由其他过程引起的CMB失真似乎仍然无法观察到目前提出的灵敏度和光谱波段的Pixie。
2011-09-29 astro-ph.CO hep-th physics.plasm-ph
Constraining dark photon model with dark matter from CMB spectral distortions
标准模型（SM）的许多扩展都包括一个暗扇区，它可以通过一个亮介质与SM扇区相互作用。我们探索的可能性，探测这样一个黑暗的部门，通过研究的扭曲的CMB光谱的黑体形状，由于弹性散射之间的暗物质和重子通过隐藏的光介质。我们特别关注的模型，其中暗扇区规范玻色子动力学混合与SM和目前的未来实验前景的PIXIE样实验，以及它的比较，现有的边界从互补的地面实验。
2017-04-24 astro-ph.CO hep-ph
Constraining Viscous Dark Matter in light of CMB Spectral Distortion
本文计算了粘性暗物质与重子相互作用引起的CMB谱畸变，利用COBE/FIRAS和PIXIE观测约束了粘性暗物质的参数空间。
2024-04-20 astro-ph.CO
FSD: Frequency Space Differential measurement of CMB spectral distortions
虽然宇宙微波背景在目前的实验范围内与一个完美的黑体光谱相一致，但在已知光谱特性的情况下，预计它会表现出一定的光谱失真。本文提出了一种利用亮温的频间差异来测量CMB光谱畸变的新方法--频率空间差分法（FSD）。在不存在任何失真的情况下，在不同频率下观察到的CMB温度之间的差异必须与黑体光谱的频率导数一致。然而，在存在频谱失真的情况下，所测量的频率间差也将表现出与黑体的偏差，这可以针对已知的频谱失真源（如$y\,\&\,μ$）来建模。我们的技术使用CMB黑体、$y$、$μ$或任何其他光谱失真源的FSD信息来对观察到的信号进行建模。在未来的CMB任务中成功应用这种方法可以提供一种提取光谱失真信号的替代方法，并可能使在没有内部黑体校准器的情况下测量光谱失真变得可行。
2018-01-16 astro-ph.CO astro-ph.IM
Unavoidable CMB spectral features and blackbody photosphere of our Universe
宇宙微波背景辐射能谱中的光谱特征包含了大量关于宇宙早期物理过程的信息，z < 2 x 10^6。宇宙微波背景辐射的光谱畸变与其他宇宙学探测是互补的。事实上，CMB频谱中包含的大部分信息是无法通过任何其他方式获取的。这篇评论概述了宇宙历史上CMB光谱特征背后的主要物理学，集中在不可避免的扭曲上，并且必须存在于下一代拟议的CMB实验可观察到的水平。这里考虑的光谱畸变包括来自宇宙学复合的光谱特征，再电离过程中CMB被金属共振散射的光谱特征，这使我们能够测量它们的丰度，再电离过程中和之后的y型畸变，以及在红移z > 1.5 x 10^4时产生的μ型和i型（介于μ和y之间）畸变。
2013-06-11 astro-ph.CO hep-ph
Disentangling the primordial nature of stochastic gravitational wave backgrounds with CMB spectral distortions
本研究利用CMB谱畸变与引力波的关联，通过更新的窗口函数和约束映射，区分随机引力波背景的原初或天体物理起源，并强调未来CMB光谱仪的关键作用。
2023-09-05 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Polarized anisotropic spectral distortions of the CMB: Galactic and extragalactic constraints on photon-axion conversion
我们重新审视了宇宙学的限制共振和非共振转换的光子在宇宙磁场的轴子。我们发现，对光子-轴子耦合和原始磁场的约束比以前声称的质量为$m_{\rm a} \lesssim 5\times 10^{-13}\,\text{eV}$的低质量轴子粒子弱得多。特别是，我们发现，轴子质量范围$10^{-14}\,\text{eV} \le m_{\rm a} \le 5\times 10^{-13}\,\text{eV}$不排除由CMB数据与以前的索赔。我们还研究了银河系磁场中的光子-轴子转换。在大尺度相干银河磁场中的共振转换导致质量范围为$10^{-13}\,\text{eV} \lesssim m_{\rm a} \lesssim 10^{-11}\,\text{eV}$的宇宙微波背景的$100\%$极化各向异性谱畸变。的极化图案的痕迹横向到视线的银河磁场的组成部分，而在银河磁场和电子分布的各向异性印记的光谱失真的特征各向异性图案。我们的结果适用于标量以及赝标量粒子。为了转换为标量粒子，偏振被$90^{\circ}$旋转，使我们能够将它们与伪标量区分开来。对于$m_{\rm a} \lesssim 10^{-14} \,\text{eV}$，我们有非共振转换的小尺度湍流磁场的银河系导致各向异性，但非偏振的光谱失真的CMB。这些独特的签名是对各向同性和非偏振信号的潜在判别，例如主CMB，以及具有…
2018-04-23 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Constraints on hidden photons from current and future observations of CMB spectral distortions
各种超越标准模型的情形包含非常轻的隐藏扇形U（1）规范玻色子与光子进行动力学混合。由此产生的普通光子和隐藏光子之间的振荡导致了宇宙微波背景的光谱失真。我们更新的混合参数$χ_0$和隐藏的光子$m_{γ'}$的质量上的界限，为未来的实验测量CMB光谱失真，如PIXIE和PRISM/COrE。对于$10^{-14}\;{\rm eV}\lesssim m_{γ'}\lesssim 10^{-13}\;{\rm eV}$，我们发现在95% CL下，动力学混合角$χ_0$必须小于$10^{-8}$。这些界限比COBE/FIRAS数据强一个数量级以上。
2015-07-09 astro-ph.CO hep-ph
Rich structure of non-thermal relativistic CMB spectral distortions from high energy particle cascades at redshifts $z\lesssim 2\times 10^5$
一般认为，对于复合前的能量注入，所有注入的能量在重子光子等离子体中以热的形式耗散，从而在CMB谱中产生$y$型、$i$型和$μ$型畸变。我们表明，这种假设是不正确的，当能量注入的形式充满活力（即能量远大于背景CMB温度）的粒子。我们进化的电磁级联，从注入的高能粒子，在膨胀的宇宙，并遵循CMB光谱失真的非热分量的电磁簇射与背景光子，电子和离子的相互作用所产生的。在簇射中的粒子的能量已经退化到足够低的能量以使它们可以与背景等离子体热化之前，电磁簇射将其能量的相当大一部分损失到CMB光谱失真。这种光谱畸变是簇射中的非热高能电子与CMB相互作用的结果，因此具有与$y$型或$i$型畸变基本不同的形状。最终的\emph{non-thermal relativistic}（$ntr$型）CMB光谱畸变的形状取决于注入的电子、正电子和光子的初始能谱，因此具有关于能量注入机制的信息，例如衰变或湮灭的暗物质粒子的衰变或湮灭通道。光谱畸变的形状对能量注入的红移也很敏感。我们的计算打开了一个新的窗口，在$z\lesssim 2\times 10^5$的能量注入，这是不简并，并可以区分从低红移热$y$型扭曲。
2019-03-22 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
CMB at 2x2 order: the dissipation of primordial acoustic waves and the observable part of the associated energy release
由于光子的扩散，光子-重子流体中的原始小尺度扰动的丝绸阻尼不可避免地在CMB中产生光谱失真。利用所提出的CMB实验PIXIE，有可能测量这些畸变，从而将原始功率谱限制在共动波数50 Mpc^{-1} < k < 10^4 Mpc^{-1}。由于宇宙微波背景辐射在这些尺度上的原始涨落被丝绸阻尼完全消除，这些扭曲可能是揭示暴胀物理学中不可观测方面的唯一途径。一个一致的原始耗散问题的治疗需要去二阶微扰理论，而热化这些扭曲需要考虑康普顿散射能量转移的二阶。在这里，我们给出了一个完整的2x2治疗的创建和演变的频谱失真，由于声耗散过程中，一贯包括偏振和光子混合的影响，在自由流制度。我们发现，存储在小尺度温度扰动中的总能量的1/3（比以前的估计大9/4）会产生可观察到的光谱失真，而剩下的2/3只会提高CMB的平均温度，这种影响是不可观察的。在高红移时，耗散主要是通过四极各向异性介导的，而在复合后，特殊的运动是最重要的。在复合期间，较高多极子的阻尼也是显著的。我们使用CosmoTherm计算几个例子的平均失真，分析它们对原始功率谱参数的依赖性。对于最适合的WMAP 7宇宙学之一，n_S=1.027和n_run=-0.034，重子物质的冷却实际上补偿了μ时代声耗散的加热。（节略）
2012-07-05 astro-ph.CO gr-qc hep-th
CMB spectral distortions from small-scale isocurvature fluctuations
在小尺度下，原始扰动的衰减引起了宇宙微波背景（CMB）的畸变。在这里，依赖于不同类型的宇宙学初始条件的失真进行了探讨，包括绝热，重子/冷暗物质等曲率，中微子密度/速度等曲率模式和一些混合物。确定每个模式的辐射传递函数，然后用于计算耗散加热速率和光谱失真签名，利用热化代码CosmoTherm的分析估计和数值结果。在此基础上，导出了共形牛顿规范下流体模的早期超视界行为，并给出了紧耦合传递函数近似。由不同扰动模式引起的CMB光谱失真可以使用这里提供的简单的k空间窗口函数来估计。中微子带走了一部分原始扰动功率，引入了取决于扰动类型的总效率因子。结果表明，未来对CMB频谱的测量有可能在非常小的尺度上探测不同的扰动模式（对应于波数1 Mpc^{-1} < k < few x 10^4 Mpc^{-1}）。这些约束是在大尺度上获得的补充，因此为早期宇宙物理学提供了一个令人兴奋的新窗口。
2013-07-07 astro-ph.CO hep-th
Test of the Einstein equivalence principle with spectral distortions in the cosmic microwave background
爱因斯坦等效原理~（EEP）可以通过测量宇宙微波背景（CMB）的光谱畸变来验证。宇宙学红移效应中能量依赖性的存在意味着EEP破坏。引入由彩虹引力激发的能量依赖的Friedmann-Robertson-Walker度规，我们证明了能量依赖的红移效应导致了CMB光谱的畸变。假设简单的能量依赖形式的度量，我们评估的失真。从COBE/FIRAS束缚出发，我们发现在CMB能量标度下，与EEP的偏离程度小于10^{-9}，这与参数化后牛顿参数“gamma”在能量上的差异相当.
2016-12-05 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
CMB spectral distortions from black holes formed by vacuum bubbles
真空泡可能在宇宙暴胀期间成核和膨胀。当膨胀结束时，气泡进入周围的等离子体，产生强烈的冲击，随后是向外传播的低密度波。气泡本身最终形成质量分布很广的黑洞。最近有人提出，这样的黑洞可以解释LIGO观测，并可能为在银河系中心观测到的超大质量黑洞提供种子。它们也可能提供相当大的一部分甚至全部的暗物质。我们估计的频谱$μ$的膨胀冲击和欠密度引起的CMB失真。在天空中平均的预测失真远低于当前的界限，但由于最大的黑洞的局部峰值对模型参数施加了限制。
2018-05-08 astro-ph.CO gr-qc
Quest for CMB spectral distortions to probe the scalar-induced gravitational wave background interpretation of pulsar timing array data
本文研究通过CMB谱畸变和各向异性来约束PTA数据中SGWB的标量诱导解释，并揭示PTA数据与未来CMB SD测量的协同作用对重建小尺度原初涨落的重要性。
2025-01-30 astro-ph.CO gr-qc
Spectral distortions in CMB by the bulk Comptonization due to Zeldovich pancakes
如果宇宙的大尺度结构是通过Zeldovich煎饼产生的，即使是部分，那么CMB辐射的波动应该是由于收缩煎饼上的黑体光谱的体康普顿化而形成的。得到了体压缩后CMB能谱的近似公式。通过比较这两种情况下的谱图，可以估计由于热和体康普顿化引起的CMB的康普顿化能谱之间的差异。
2019-02-04 astro-ph.CO
Exotic energy injection in the early universe II: CMB spectral distortions and constraints on light dark matter
本文计算了暗物质衰变或湮灭引起的CMB谱畸变，发现残余畸变可被未来实验探测，并改进低能电子处理将衰变DM的CMB各向异性约束扩展至任意低质量，进而转化为轴子样粒子与光子耦合的约束。
2023-10-18 astro-ph.CO hep-ph
CMB spectral distortions in generic two-field models
我们研究了两个不相关源对原始扰动有贡献的模型中的CMB $μ$失真。我们通过振幅、倾斜、运行和运行的运行来参数化每个源。我们进行了详细的分析的分布信号作为模型参数的函数，突出的差异相比，单源模型。作为一个具体的例子，我们还研究了混合暴胀曲率的情况。我们发现，$μ$失真可以有效地打破退化的曲率参数，特别是当结合未来的灵敏度探测张量标量比$r$。例如，假设边界为$μ< 0.5 \times 10^{-8}$和$r<0.01$，曲率贡献应该为零，或者曲率应该主导原始扰动，并且其慢滚参数$η_χ$被约束为区间$-0.007 < η_χ< 0.045$。
2017-11-08 astro-ph.CO hep-ph
Evolution of CMB spectral distortion anisotropies and tests of primordial non-Gaussianity
宇宙微波背景（CMB）频谱畸变的各向异性可以通过早期宇宙中空间变化的加热过程产生。例如，小尺度声学模式的耗散确实会产生失真各向异性，特别是对于非高斯原始扰动。在这项工作中，我们推导出近似，允许描述相关的失真场。我们提供了一个系统的制定使用傅立叶空间窗口函数的问题，澄清和推广以前的近似。我们的表达式突出了这样一个事实，即由非高斯性引起的频谱失真波动的幅度也取决于这些失真的齐次值。因此，需要绝对测量来获得对原始非高斯性的模型无关的失真约束。我们还包括一个简单的描述通过光子扩散的扭曲的演变，表明这些修正通常可以忽略不计。我们的配方提供了一个系统的框架计算高阶关联函数的失真与CMB温度各向异性，并可以扩展到描述相关的偏振各向异性。
2016-12-30 astro-ph.CO
Leverage on small-scale primordial non-Gaussianity through cross-correlations between CMB $E$-mode and $μ$-distortion anisotropies
多场暴胀模型和非Bunch-Davies真空初始条件都预测了宇宙微波背景（CMB）黑体的相当大的非高斯原始扰动和各向异性$μ$型光谱畸变。虽然CMB各向异性允许我们探测波数$k\simeq 0.05\,{\rm Mpc^{-1}}$处的非高斯性，但$μ$失真各向异性与具有大得多的波数$k\simeq 740\,{\rm Mpc^{-1}}$的原始扰动模式的非高斯性有关。通过CMB和$μ$ -失真各向异性之间的互相关，人们因此可以阐明上述通货膨胀模型。我们调查的能力，未来的CMB卫星成像仪，如LiteBIRD测量$μT$和$μE$交叉功率谱之间的各向异性$μ$ -失真和CMB温度和$E$模式的偏振各向异性的前景的存在下，并获得LiteBIRD预测${f_{\rm NL}^μ(k\simeq 740\,{\rm Mpc^{-1}})}$。我们发现，在前景的存在下，与CMB偏振的$μE$互相关对$f_{\rm NL}^μ$提供了比$μT$互相关更多的约束力，并且$μT$和$μE$观测量的联合组合进一步增加了对小尺度原始非高斯性检测的杠杆作用。我们发现LiteBIRD在去除前景后能在$5σ$显著性上检测${f_{\rm NL}^μ}=4500$，并通过结合CMB温度和偏振在68% CL下实现最小误差${σ(f_{\rm NL}^μ=0) \simeq 800}$。由于CMB和$μ$失真各向…
2022-02-22 astro-ph.CO
Testing scenarios of primordial black holes being the seeds of supermassive black holes by ultracompact minihalos and CMB $μ$-distortions
超大质量黑洞和中等质量黑洞被认为存在于宇宙中。对于它们的起源，没有确定的天体物理学解释，文献中考虑到这些大质量黑洞（MBH）可能是原始黑洞（PBH），黑洞是在早期宇宙（远早于物质辐射平等）由于原始超密度的直接坍缩而形成的。本文旨在讨论排除PBH情景作为MBH起源的可能性。我们首先重新审视的限制PBH从CMB失真的种子密度扰动的原因。通过采用最近的种子密度扰动源的CMB失真的计算和更强的约束CMB失真设置的COBE/FIRAS实验中使用的文献中，我们发现，在质量范围$6\times 10^4~M_\odot \sim 5 \times 10^{13}~M_\odot$的PBH被排除在外。由于PBH轻于$6 \times 10^4~M_\odot$不排除从非观测的CMB失真，我们提出了一种新的方法，可以潜在地排除较小的PBH以及。基于观察到的大密度扰动所需的创建PBH也导致大量生产的超紧凑迷你晕（UCMH），紧凑的暗物质晕形成在周围的重组，我们表明，弱相互作用的大质量粒子（WIMPs）作为暗物质有效地湮灭内UCMH产生宇宙射线远远超过所观察到的流量。我们的边界严格限制了WIMP粒子物理模型与PBH方案的相容性，作为MBH的解释。
2014-10-16 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
The role of CMB spectral distortions in the Hubble tension: a proof of principle
虽然$Λ$ CDM模型的早期和晚期修正都被提出来解决哈勃张力，但令人信服的论点表明，要想成功解决这个问题，它需要修改宇宙在重组之前的膨胀历史。这大大增加了精确的CMB观测的重要性，在这封信中，我们提出了CMB光谱失真的论点，强调了它们在约束模型中的潜在作用，这些模型在标准$Λ$ CDM参数中引入了显着的变化，例如标量光谱指数，试图解决哈勃张力。
2020-09-17 astro-ph.CO
