The influence of streaming velocities and Lyman-Werner radiation on the formation of the first stars
宇宙中的第一批恒星，即所谓的第三星族恒星，形成于维里温度为$T_{\rm vir} < 10^{4}$ ~K的小型暗物质迷你晕中。这些微晕中的冷却主要由分子氢（H $_{2}$）控制，因此只有在那些形成足够H $_{2}$的微晕中才有可能形成星族III的恒星，从而在短时间内冷却。由于H $_{2}$冷却在质量更大的迷你晕中更有效，因此存在一个临界晕质量尺度$M_{\rm min}$，高于该尺度，第三星族恒星的形成才成为可能。两个重要的过程可以改变这个最小质量尺度：重子相对于暗物质的流动和H $_{2}$在高红移的莱曼-维尔纳（LW）背景下的光解离。在本文中，我们提出了一套高分辨率的宇宙学模拟，研究这些过程的影响，对$M_{\rm min}$和$M_{\rm ave}$（恒星形成的平均微晕质量），无论是单独和组合。我们发现，流有一个更大的影响$M_{\rm min}$比LW的背景，但也有两种效果是加性的。我们还提供了拟合函数量化的依赖$M_{\rm ave}$和$M_{\rm min}$上的流速度和强度的LW背景。
2021-07-06 astro-ph.CO astro-ph.GA
Lyman-alpha Forest Constraints on Decaying Dark Matter
我们提出了一个分析的高分辨率N体模拟的衰减暗物质宇宙学的统计特性的高红移星系际介质中传输的莱曼α森林通量的重点。在这种类型的模型中，一个暗物质粒子衰变为质量稍小的稳定的暗物质子粒子和一个轻粒子。小的质量分裂为子粒子提供了非相对论性的反冲速度V_k，导致自由流动和随后的小尺度密度波动的阻尼。目前的莱曼-α森林功率谱测量可以探测到红移z ~ 2-4处约2-3 h^-1 Mpc的共动尺度，这为探测相对小尺度上的宇宙学密度涨落提供了最可靠的方法之一。由于自由流的暗物质子粒子的结构生长的抑制也有一个显着的影响中性氢云的分布，跟踪底层的暗物质分布以及在高红移。我们利用莱曼-α森林功率谱测量来限制自由流的暗物质在这样的模型，从而限制衰减的暗物质只基于宇宙学扰动的动力学没有任何假设的衰变产物的相互作用。我们发现SDSS一维Lyman-alpha森林功率谱数据给出了一个依赖于寿命的上限V_k < 30-70 km/s，衰变寿命< 10 Gyr。这是最严格的模型无关的约束不可见的暗物质衰变与小质量分裂。对于大质量分裂（大V_k），莱曼-α森林数据将暗物质的寿命限制在γ ^-1 > 40 Gyr。即将到来的BOSS数据应该能够对奇异的暗物质提供更严格的约束，主要是因为更大的BOSS类星体光谱样本将显著减少统计误差。
2013-09-27 astro-ph.CO hep-ph
Small-scale structure and the Lyman-$α$ forest baryon acoustic oscillation feature
莱曼- $α$森林中的重子声学振荡（BAO）特征是在红移z~2.5时宇宙膨胀率的关键探测之一，而这一时间远在暗能量被认为具有动力学意义之前。BAO作为标准标尺的一个关键优势是它是一个尖锐的特征，因此比其他宇宙学探测器更能抵抗宽带系统效应。然而，如果莱曼- $α$森林传输对重子相对于暗物质的初始流动速度敏感，那么BAO峰位置可以移动。在这里，我们研究这种敏感性，使用一套流体动力学模拟的小区域的星系际介质的范围内的盒子大小和物理假设;每个模拟从运动解耦时期（z~1059）的初始条件开始，经历从中性气体到再电离时的电离气体热演化的离散变化（z~8），最后处理成$α$森林透射通量立方体。流动速度抑制小尺度结构，导致再电离后较不剧烈的弛豫。在低红移处，由于电离相的温度演化是收敛的，气体分布和温度-密度关系的变化更为微妙。在BAO规模的变化估计为0.12%的顺序在z=2.5，一些主要的不确定性和未来的改进途径进行了讨论。对于即将进行的DESI Lyman- $α$森林调查，预测的流速度变化将是次显性但不可忽略的影响（$0.26σ$级），并且超过宇宙方差下限。希望这项研究将激励更多的理论工作的幅度的BAO转变，无论是在莱曼- $α$森林和其他示踪剂的大尺度结构。
2017-10-31 astro-ph.CO
Unveiling the nature of bright z ~ 7 galaxies with the Hubble Space Telescope
本文介绍了新的哈勃空间望远镜/宽视场照相机3在z ~ 7上对25个极亮（-23.2 <MUV < -21.2）莱曼破裂星系（LBG）的成像。该样本最初是从UltraVISTA/COSMOS和UDS/SXDS领域的1.65 deg^2地基成像中选择的，包括极端的莱曼α发射体"Himiko“和”CR 7“。对深源Spitzer测光的解融合分析表明，这些星系具有很强的静止系光学星云发射线（EW_0（H_beta + [OIII]）> 600 A）。我们发现，在明亮的z ~ 7星系中（f_multi > 0.4），不规则的、多分量的、暗示着星系团或星系合并的形态是普遍存在的，而在非常明亮的一端（M_UV < -22.5）则是普遍存在的。这些星系的半光半径范围为r_1/2 ~ 0.5-3 kpc。尺寸测量提供了在z ~ 7处延伸到M_UV ~-23的尺寸-光度关系的第一个确定。我们发现，当r_1/2 ~ L^1/2时，关系是陡峭的。然而，排除块状、多成分星系，我们发现了一种较浅的关系，这意味着明亮的LBG中恒星形成率表面密度增加。使用新的，独立的，HST/WFC 3数据，我们确认，在z ~ 7的静止帧UV光度函数有利于幂律下降在明亮的一端，相比于指数Schechter函数下降。最后，这些结果对欧几里得任务有重要的意义，我们预测它将在z ~ 7处探测到> 1000个类似的明亮星系。我们新的HS…
2016-12-19 astro-ph.CO astro-ph.GA
Light cold dark matter from non-thermal decay
本文研究非热衰变产生的暗物质质量与自由流长度，证明可产生远低于keV的轻冷暗物质且满足Lyman-α约束，并给出两个具体例子。
2023-09-06 astro-ph.CO hep-ph
Warm Dark Matter as a solution to the small scale crisis: new constraints from high redshift Lyman-alpha forest data
我们提出了更新的约束的自由流动的温暖暗物质（WDM）粒子的Lya通量功率谱的分析来自高分辨率光谱的25 z > 4类星体获得的凯克高分辨率Echelle光谱仪（HIRES）和麦哲伦稻盛京瓷Echelle（MIKE）光谱仪。我们利用一套新的高分辨率流体动力学模拟，探索WDM质量的1，2和4千电子伏（假设WDM由热文物），随着不同的物理动机的热历史。我们仔细地解决了不同来源的系统误差，可能会影响我们的最终结果，并执行保守的误差估计的Lya通量功率的分析。通过对多维天体物理学和宇宙学参数空间进行采样的方法，我们得到了早期退耦热遗迹形式的暖暗物质粒子的mwdm下限> 3.3 keV（2sigma）.增加斯隆数字巡天（SDSS）Lya通量功率谱并没有改善这一限制。质量为1 keV、2 keV和2.5 keV的热遗迹在约9 sigma、4 sigma和3 sigma C.L.处的数据不利，分别我们的分析不赞成WDM模型，其中在对应于k= 10 h/Mpc的（非线性）尺度下线性物质功率谱中存在抑制，其偏离LCDM模型超过10%。给定这个极限，相应的“自由流动质量”为2x10^8 Msun/h，低于该值，质量函数可能被抑制。因此，对于所谓的冷暗物质的小规模危机的解决方案，WDM的自由流贡献的空间非常小。
2013-08-26 astro-ph.CO
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
Universal lower bound on the axion decay constant from free streaming effects
本文证明轴子遗迹丰度增强会产生非零动量模式，从而通过自由流效应和等曲率扰动对轴子衰变常数给出不依赖具体模型的普适下界，并利用莱曼-$α$ 森林观测分别对两类增强机制给出约束。
2025-07-02 astro-ph.CO hep-ph
New Constraints on Warm Dark Matter from the Lyman-$α$ Forest Power Spectrum
本研究利用1080个高分辨率流体动力学模拟，结合莱曼-α森林通量功率谱观测，给出温暗物质粒子质量3.1 keV的95%置信下限，且微弱偏好4.5 keV的热遗迹质量，同时约束了高红移光电离背景性质。
2023-06-09 astro-ph.CO astro-ph.GA
The 21-cm signature of the first stars during the Lyman-Werner feedback era
第一颗恒星的形成是天文学中一个令人兴奋的前沿领域。由于最近认识到暗物质和气体之间的超音速相对速度的影响，早期红移z ~ 20在观测上变得很有希望。这种效应产生突出的结构上100 comoving Mpc尺度，这使得它更可行的检测21厘米的波动，从第一次加热的时代。我们使用半数值混合方法，遵循的X射线和莱曼-维尔纳辐射背景的联合演变，包括宇宙中的恒星分布的超音速流速度的影响，第一次。我们将自洽的负反馈恒星形成诱导的莱曼-沃纳辐射，离解分子氢，从而抑制气体冷却。我们发现，反馈延迟的X射线加热跃迁的Δ z ~ 2，但留下了一个有希望的大的波动信号在一个广泛的红移范围。预测大尺度功率谱在z ~ 18处（对于投影的第一代仪器）达到S/N ~ 3-4的最大信噪比，其中S/N > 1到z ~ 22-23。我们希望刺激更多的数值模拟以及观测工作集中在宇宙再电离之前的时代。
2012-12-03 astro-ph.CO
Lyman-alpha Forests cool Warm Dark Matter
keV尺度粒子的自由流动影响了遥远类星体莱曼α森林探测尺度上的结构生长。使用SDSS第九次数据发布的中分辨率类星体光谱的前所未有的大样本，以及一组最先进的流体动力学模拟来模拟非线性区域中的莱曼-α森林，我们发布了迄今为止最严格的边界之一，仅从$α$数据，纯暗物质粒子：对于早期退耦的热遗迹，如假设的引力子，我们给出了$m_X > 4.09 \: \rm{keV}$（95% CL），而对于非共振产生的右手中微子，我们给出了相应的$m_s > 24.4 \: \rm{keV}$（95% CL）。这个极限取决于$n_s$的值，普朗克测量到的$n_s$的值比SDSS-III/BOSS的值高。因此，当Ly- $α$数据与普朗克2016年的CMB数据相结合时，我们的边界略有变化。限值变为$m_X > 2.96 \: \rm{keV}$（95% CL）和$m_s > 16.0 \: \rm{keV}$（95% CL）。由于SDSS-III数据具有更小的不确定性和覆盖更大的红移范围比SDSS-I数据，我们的界限证实了最严格的结果建立了以前的工作，并进一步与一个纯粹的非共振产生的不育中微子作为暗物质。
2016-07-20 astro-ph.CO
Cosmic Lighthouses : Unveiling the nature of high-redshift galaxies
我们正处于寻找高红移星系的黄金时代，新仪器和创新搜索技术的结合使之成为可能。这种搜索的主要目的之一是限制再电离时代（EoR），这标志着宇宙电离状态的第二次重大变化。理解EoR是困难的，因为虽然是星系演化驱动再电离，但再电离本身通过反馈效应影响星系演化。由于缺乏对高红移星系中金属富集和尘埃分布的了解，再电离和星系演化的相互作用更加复杂。为此，一类称为莱曼阿尔法发射体（LAEs）的星系作为所有这三个过程的探测器已经获得了巨大的普及。在这篇论文中，我们耦合最先进的宇宙学SPH模拟（GADGET-2）与物理动机，LAEs的自洽模型，以便能够理解的重要性，星系际介质（IGM）的电离状态，尘埃和特殊的速度在塑造他们的观察到的属性。通过这样做，目的是深入了解LAEs的性质，对其难以捉摸的物理特性进行宝贵的限制，并对未来的仪器进行预测，如阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）。使用我们的LAE模型与建立MW合并树（GAMETE）的代码相结合，我们在高红移和本地宇宙之间建立了一座桥梁。我们还使用SPH模拟（GADGET-2）来研究迄今为止已经探测到的最早的星系的性质，限制它们对再电离的贡献，并预测它们使用下一代仪器（如詹姆斯Web太空望远镜（JWST））的可探测性。
2011-01-20 astro-ph.CO
Unveiling the Secrets of Metallicity and Massive Star Formation Using DLAs along Gamma-ray Bursts
为了研究$z=1.8-6$红移范围内长伽玛暴的环境性质，我们在伽马射线暴（GRB）的观测线上展示了最大的、公开可用的阻尼莱曼- $α$系统（DLAs）样品。与最近的类星体DLAs样品（QSO-DLA）相比，我们的分析表明，GRB-DLAs探测到$z\gtrsim3$更富金属的环境，直到$[X/H]\sim-0.5$。在$z=2-3$红移范围内，尽管有大量的下限，但有迹象表明两个群体可能更相似（仅在90\%的显著性水平上）。同样在\hiz，GRB-DLA的平均金属丰度似乎以比类星体-DLA更浅的速度下降：GRB-DLA主体可能被金属污染，至少在距离GRB爆炸地点$\sim 2$ kpc的地方，可能是由于以前的恒星形成事件和/或超新星爆炸。这种浅金属丰度的趋势，现在扩展到$z\sim5$，证实了以前的结果，伽玛射线暴的主机是恒星形成，平均而言，比一般的类星体-DLA人口更高的金属丰度。最后，我们的金属丰度测量结果与GRB祖细胞的两个通道的假设基本一致，其中一个通道受到金属丰度偏差的轻微影响。模拟的伽玛暴宿主的金属丰度演化与我们的数据相当吻合，直到中间红移，而更多的数据需要约束模型在$z\gtrsim 4$。
2015-03-03 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmological constraints on the velocity-dependent baryon-dark matter coupling
利用普朗克微波宇宙微波背景辐射（CMB）和斯隆数字巡天（SDSS）Lyman- $α$ forest数据，给出了MeV以下暗物质质量的重子-暗物质相互作用截面的宇宙学约束.为了探索暗物质质量$m_χ\lesssim 1$ MeV的暗物质的自由流效应可以抑制可观察到的小尺度密度波动，除了存在重子-暗物质耦合的声振荡阻尼，我们应用类似于传统的暖暗物质的近似处理暗物质的自由流。我们还证明了重子-暗物质横截面边界的质量依赖性（对于暗物质质量下降到$m_χ \sim 5~{\rm keV}$），相反，暗物质质量独立的横截面约束的光暗物质在以前的文献中声称的MeV尺度以下。
2019-02-03 astro-ph.CO hep-ph
Impact of Massive Neutrinos and Dark Radiation on the High-redshift Cosmic Web. I. Lyman-Alpha Forest Observables
随着即将到来的高质量数据，如扩展重子振荡光谱调查（eBOSS）或暗能量光谱仪器（DESI），改善理论建模和更深入地了解中微子和暗辐射对小尺度结构形成的影响是必要的，以获得不受系统偏差的鲁棒约束。使用一套新的流体动力学模拟，将暗物质，重子，大质量中微子和暗辐射，我们提出了一个详细的研究，他们对莱曼-阿尔法森林观测值的影响。特别是，我们准确地测量的小尺度的物质和通量功率谱的形状和振幅的层析演化和搜索独特的签名以及首选的尺度中微子质量检测可能是可行的。然后，我们调查的星系际介质（IGM）的热状态，通过温度-密度关系。我们的研究结果表明，在k~ 5 h/Mpc处，与无质量中微子宇宙学相比，M_nu=0.1 eV中微子引起的物质功率谱抑制在z~3处可以达到~4%，如果包括无质量无菌中微子，则可以达到~10%;令人惊讶的是，我们还发现与一些分析预测有很好的一致性（~2%）。对于1D通量功率谱，当M_nu=0.1 eV时，在k~0.005 s/km处实现了对自由流效应的最高响应;该k极限落在Lyman-Alpha森林制度中，使得小尺度1D通量功率谱成为探测中微子和暗辐射印记的优秀探针。我们的结果表明，在z~3的IGM提供了最好的灵敏度活动和不育中微子。
2017-12-01 astro-ph.CO
Unveiling the dark matter nature with reionization relics
Tsinghua University（清华大学）；Peng Cheng Laboratory（鹏城实验室）；University of Waterloo（滑铁卢大学）；University of Costa Rica（哥斯达黎加大学）；The Ohio State University（俄亥俄州立大学）
提出基于长寿命再电离遗迹的大尺度探针，通过Lyα森林和21厘米强度映射约束温暗物质质量下限。
2026-05-26 astro-ph.CO
Neutrino self-interactions in post-reionization era: Lyman-$α$, 21-cm and cross-spectra
Indian Statistical Institute（印度统计研究所）
研究中微子自相互作用对重子声学波时代后物质功率谱的影响，通过Fisher矩阵分析预测未来观测任务的约束，发现Lyman-α与21厘米交叉相关能有效区分中微子相互作用信号，CMB+PUMA组合在两种模式下均提供最佳约束。
2026-08-24 astro-ph.CO hep-ph
The Warm Dark Matter Doorframe for Light Dark Matter Direct Detection Experiments
如果暗物质甚至已经与可见扇区充分热接触并且足够亮（$m_χ\lesssim\mathcal{O}(10)~\text{keV}$），则从可见扇区继承的热运动将导致显著的自由流效应，其受到结构形成约束，类似于基准热暖暗物质模型。在这里，我们确定的相互作用负责这种热接触的相互作用探测的深层地下暗物质直接探测实验。用动力学解耦技术在$m_χ$与$σ$图上详细地确定了束缚形状，并发现重铸当前的Lyman- $α$束缚给出了$m_χ\gtrsim73~\text{keV}$的约束，并且对于具有一些模型依赖性的较小截面的$σ<10^{-46}~\text{cm}^2$，它被放松到$m_χ\gtrsim35~\text{keV}$。对于光暗物质直接探测实验来说，这可以被视为一个通用的“禁止”约束，而已知的警告是，如果暗物质是具有早期玻色-爱因斯坦凝聚形式的轴子，或者如果存在自由流的布朗运动保护。
2019-10-01 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Cosmology of Single Species Hidden Dark Matter
本文研究单物种隐藏暗物质模型，提出用相对论性到非相对论性转变时的特征尺度因子作为单一参数来统一描述，发现Lyman-$α$森林等观测将转变红移限制为大于约6.2×10^7。
2025-06-01 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Deep Learning the Intergalactic Medium using Lyman-alpha Forest at $ 4 \leq z \leq 5$
本文利用深度贝叶斯神经网络逐像素重建 $4 \leq z \leq 5$ 莱曼-阿尔法森林中的 IGM 密度与温度，仅用一条 $20$Mpc/h 视线即可获得比传统方法更严格的 $T_0$ 和温度-密度关系斜率约束。
2024-04-08 astro-ph.CO
The inner structure of haloes in Cold+Warm dark matter models
我们分析了冷加暖暗物质宇宙学（CWDM）中暗物质晕的性质。我们研究了它们对热粒子的分数和速度色散的依赖性，保持自由流尺度固定。为此，我们考虑三种具有相同自由流的模型：（1）90% CDM和10% WDM的混合物，质量为1 keV;（2）50% CDM和50% WDM的混合物，质量为5 keV;（3）纯WDM，质量为10 keV。“暖”粒子重新调整了费米-狄拉克原始速度谱（就像非共振产生的无菌中微子一样）。我们比较了这些模型之间的晕的性质，并与LCDM具有相同的宇宙学参数。我们证明，虽然这些模型具有相同的自由流长度和物质谱的抑制是相似的尺度探测莱曼-α森林同动波数k<3-5 h/Mpc），所产生的性质与质量低于1 e11 Msun的晕是不同的，由于不同的行为，在较小的尺度上的物质功率谱。特别是，我们发现，虽然星系的数量保持不变，在LCDM的情况下，他们的密度分布变得不那么集中，因此在更好的协议与目前的观测限制。我们的研究结果意味着，这些模型的一个单一的参数（如自由流长度）的描述是不够的，以充分捕捉他们的结构形成过程中的影响。
2012-10-01 astro-ph.CO
Hot and heavy dark matter from a weak scale phase transition
我们指出，暗物质产生的非湍流的相变（PT）与快速气泡壁接收的速度，导致长的自由流长度的提升。我们发现，这可以观察到通过抑制物质功率谱的暗物质质量周围的$10^8 - 10^9$ GeV和能量标度的PT周围的$10^{2} - 10^3$ GeV。PT应该发生在过冷状态的边界，即大约在宇宙成为真空主导的时候。这项工作为星系巡天、莱曼-$α$、恒星流、透镜和21厘米观测提供了新的物理目标，并将这些与来自这种相变的引力波联系起来，更推测性地与重暗物质衰变的可能望远镜信号联系起来。
2022-12-05 astro-ph.CO hep-ph
Probing Light Dark Matter with Cosmic Gravitational Focusing
本文提出利用宇宙引力聚焦探测质量在0.1至100电子伏特的轻暗物质组分，该纯引力效应可补充现有方法，并可通过DESI星系巡天重建偶极密度分布，从而限制暗物质性质。
2025-09-25 astro-ph.CO hep-ph
Massive Population III Galaxies Near a GN-z11 Analog: The Role of the Baryon-Dark Matter Streaming Velocity
University of Toledo（托莱多大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
本研究通过半解析模型与N体模拟，发现靠近GN-z11类似体的高密度区域存在晚期形成的第三星族星系，其形成受重子-暗物质流速度显著影响，高流速度可促进此类星系出现，并可能孕育重型黑洞种子。
2026-09-30 astro-ph.CO astro-ph.GA
Dark matter self-interactions in the matter power spectrum
我们研究了具有质量间隙和自相互作用的隐蔽暗区在物质功率谱上的印记。当暗物质（DM）是足够轻，在几个KeV的棒球场，和自相互作用，我们发现定性的差异，相对于$Λ$ CDM，也自由流DM。为了强调相互作用的原始扰动的演变的作用，我们讨论了各种制度：从理想的情况下，一个紧密耦合的完美流体的自由的情况下，温暖的暗物质，包括现实的情况下，小，但不消失的自我相互作用。我们计算的物质功率谱在所有这些制度的帮助下，玻尔兹曼求解器。光暗部门与自相互作用的莱曼- $α$数据有效地约束，我们发现，自相互作用的存在下放松的DM质量的约束。作为一个具体的实现，我们研究的模型与暗QCD类部门，DM是由轻暗π。
2022-08-30 astro-ph.CO hep-ph
Momentum distribution of dark matter produced in inflaton decay: effect of inflaton mediated scatterings
暴胀后的再加热是一种广泛讨论的暗物质（DM）非热产生机制。在这种情况下，产生的DM粒子的动量分布通常被认为是在再加热时获得的，由于宇宙的膨胀，在稍后的时间里发生了红移。然而，由于在这种情况下DM和标准模型（SM）场都耦合到暴胀子，DM粒子必然经历自散射以及与SM浴的弹性和非弹性散射反应，所有这些都通过$s-$通道或$t-$通道暴胀子交换进行。我们计算的DM粒子的动量分布，包括这些散射的影响，并发现，分布可以显着改变，即使DM保持非热在整个宇宙演化。我们观察到，如果暴胀子主要耦合到SM希格斯玻色子玻色子通过重整化的相互作用，然后再加热温度和暴胀子质量在TeV尺度导致一个大的影响从散射过程中，DM暴胀子耦合的DM密度的限制。散射效应被发现是敏感的再加热过程的持续时间-更大的持续时间，更多的动量模式被填充在再加热，导致增强的散射概率。我们还获得了自由流长度的DM使用由此产生的非热动量分布，它可以用来估计的影响的莱曼- $α$约束DM质量。据观察，在所考虑的情况下，包括散射效应可以减少DM的平均速度在物质辐射平等，其自由流动的长度，由高达一个因素的$40$，从而使在暴胀衰变产生的光DM的约束显着减弱。
2022-08-12 astro-ph.CO hep-ph
The Subhalo Mass Function and Ultralight Bosonic Dark Matter
暖暗物质最近越来越受到观测推论的限制，这些推论是关于次晕质量函数的低质量端，这将被早期宇宙中的暗物质自由流动所抑制。在这项工作中，我们指出，基于类似的考虑，可以对超轻玻色子暗物质（通常称为“模糊暗物质”）施加约束。最近的限制温暖的暗物质从强引力透镜的类星体和波动的恒星流分别转化为一个下限$\sim 2.1 \times 10^{-21}$ eV的超轻玻色子组成的所有暗物质的质量。这些限制是对莱曼- $α$森林中超轻暗物质的限制的补充，并且受到一组完全不同的假设和系统不确定性的影响。总之，这些探测器强烈表明，具有质量$\sim 10^{-22}$ eV的暗物质不是一种可行的方法来调和冷暗物质模拟和小尺度结构观测之间的差异。
2020-07-16 astro-ph.CO hep-ph
Constraining Nonthermal Dark Matter's Impact on the Matter Power Spectrum
在暴胀之后和辐射支配开始之前，包含一个（有效）物质支配时期对结构增长有着有趣和可观察的影响。在这个早期的物质主导时代（EMDE），宇宙被大质量粒子或振荡标量场所主导，这些粒子衰变为标准模型粒子，从而重新加热了宇宙。这种衰变过程也可能是暗物质的主要来源。在母粒子和子粒子质量之间没有微调的情况下，暗物质粒子和标准模型粒子都将以相对论速度产生。通过确定暗物质的速度分布函数，我们研究了具有相对论速度的暗物质粒子的非热产生对物质功率谱的影响。我们发现，绝大多数的暗物质粒子在EMDE过程中产生的仍然是相对论性的再加热，所以他们的自由流擦除的扰动，在EMDE增长。暗物质粒子的自由流动也可以阻止银河系周围卫星星系的形成以及在莱曼- $α$森林中观察到的结构。对于一个给定的再加热温度，这些观测为暗物质粒子在其产生时的速度设定了上限。例如，对于10 MeV的再加热温度，暗物质必须以洛伦兹因子$γ\lesssim 550$产生。
2020-03-03 astro-ph.CO
The Cosmological Evolution of Self-interacting Dark Matter
研究了具有弹性和速度无关自相互作用的暗物质模型中宇宙学扰动的演化。这种相互作用在物质功率谱中被印上了暗声振荡的印记，可以通过实验探索来确定自散射的强度。具有自相互作用的模型与温暖的暗物质有相似之处，因为当暗物质速度色散相当大时，它们会导致小尺度上的功率抑制。尽管如此，无论是物理起源和抑制的程度不同的自相互作用的暗物质从传统的温暖的暗物质，与黑暗的声音地平线控制减少的功率在前一种情况下，和自由流长度在后者。我们彻底分析这些差异，通过使用新开发的玻尔兹曼代码的线性功率谱的计算。我们发现，虽然目前的莱曼- $α$数据不赞成传统的温暖的暗物质的质量小于5.3千电子伏，当自我相互作用包括在其最大值符合从子弹集群的界限，限制放宽到4.4千电子伏。最后，我们利用我们的分析设置新的界限轻标量单态暗物质。
2021-05-20 astro-ph.CO hep-ph
Cores in Dwarf Galaxies from Fermi Repulsion
我们表明，费米排斥可以导致核心的密度分布在矮星系的亚千电子伏的费米暗物质。我们把暗物质看作准简并的自引力费米气体，并在流体静力平衡的假设下计算了它的密度分布。我们发现，对于质量在70 eV - 400 eV范围内的费米子暗物质，可以获得大于130 pc的合适的矮星系核。虽然在传统的暗物质的情况下，这种亚keV的热暗物质将被排除在自由流动的界限，改善了约束的模型与暗物质在较低的温度比传统的热的情况下，如泛暗物质模型，我们以前考虑过。修改的参数Tremaine和Gunn，我们得到一个保守的70 eV的费米子暗物质的质量下限和一个更强的下限从莱曼- $α$云约470 eV，导致略小于已观察到的核心。我们评论这一结果，以及如何放松紧张的暗物质的情况下，非热动量分布。
2016-11-14 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Constraining warm dark matter with 21 cm line fluctuations due to minihalos
质量为m_WDM = O（1）keV的暖暗物质（WDM）长期以来一直被认为是解决小尺度下观测到的宇宙结构与协调CDM模型预测之间差异的一个有希望的解决方案。虽然一些宇宙学观测，如莱曼-阿尔法森林已经开始限制m_WDM的范围，WDM尚未被完全排除作为这些所谓的小尺度问题的解决方案。在本文中，我们研究了21厘米线的波动，从微晕在WDM模型和评估的限制mWDM未来的宇宙学21厘米调查，如SKA和FFTT。我们发现，由于WDM质量m_WDM>10 keV的减少了丰富的小晕通过抑制小尺度上的物质功率谱通过自由流，这样的WDM可以显着影响所得的21厘米线波动的小晕。我们发现，如果在z>5以上可以观测到来自微晕的21 cm信号，SKA和FFTT可以分别给出m_WDM>24 keV和31 keV的下限，这比当前的约束更严格。这些未来的21厘米调查可能能够排除WDM模型作为小规模问题的解决方案。
2014-08-06 astro-ph.CO hep-ph
Constraints on warm dark matter from weak lensing in anomalous quadruple lenses
我们研究了类星体-星系四透镜系统中表面质量密度小于10^8太阳质量/角秒^[2]的视线结构的弱透镜效应。在热暗物质（WDM）模型中，利用高分辨率N体模拟，通过观测到的四个四重透镜的通量比异常，我们得到了热WDM的质量限制，假设主透镜的密度由奇异的等温椭球（SIE）描述，m_WDM>= 1.3keV（95%CL）.得到的约束与Lyman- $α$森林的约束以及z>4时高红移星系的计数是一致的。结果表明，在SIE模型正确描述主透镜引力势的前提下，自由流共动波数k_{fs} <= 27 h/Mpc的WDM在红移0.5 <~ z <~ 4时不宜作为宇宙学密度的主要分量.
2015-02-12 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Resonant production of sterile neutrino dark matter with a refined numerical scheme
本文通过精细化数值方案研究 keV 尺度惰性中微子的共振产生，发现与 X 射线和 Lyman-α 约束一致的参数区域，并探索 Affleck-Dine 机制及轻子数注入期间的产生过程，以缓解观测约束。
2025-10-07 astro-ph.CO hep-ph
Probing dark matter interactions with 21cm observations
类似于温暖的暗物质，其特征在于由于自由流而在物质功率谱中截止，许多相互作用的暗物质模型预测通过碰撞阻尼在小长度尺度上抑制物质功率谱。对21厘米线强度测绘的预测表明，像SKA这样的仪器将能够以统计上显著的方式探测温暖暗物质场景中的功率抑制。在这里，我们调查这些发现的相互作用暗物质的情况下，特别是暗物质中微子相互作用，我们使用的一个例子的影响。使用一套宇宙学$N$体模拟，我们证明了相互作用的情况下，显示出抑制的非线性功率谱类似于温暖的暗物质模型。这意味着21厘米线强度映射将能够对暗物质-中微子散射设置最强的限制，将约束比当前的莱曼- $α$边界提高两个数量级，比宇宙微波背景和重子声学振荡限制提高四个数量级。然而，为了区分温暖的暗物质和相互作用的情况下，我们的模拟表明，在红移$z\gtrsim15$的物质功率谱的100级精度的测量是必要的，因为相互作用的情况下的关键特征被冲洗出来的非线性演化在以后的时间。
2023-02-27 astro-ph.CO hep-ph
Trading kinetic energy: How late kinetic decoupling of dark matter changes $N_{\textrm{eff}}$
暗物质粒子和相对论性物质（如光子或中微子）之间的弹性散射导致能量从后者转移，这是由于它们本质上不同的温度标度关系。在这项工作中，我们指出，这种能量从辐射浴虹吸表现为中微子的有效数量$N_{\rm eff}$的变化，并计算预期的位移$ΔN_{\rm eff}$为暗物质-光子和暗物质-中微子弹性散射的函数的暗物质质量$m_ψ$和散射截面$σ_{ψ-X}$。对于$(m_ψ,σ_{ψ-X})$ -参数区域已经探索了非线性探针，如莱曼- $α$森林通过碰撞和/或自由流动阻尼，我们发现的移位$|ΔN_{\rm eff}| \simeq O(10^{-2})$，这可能是在所提出的CMB-S4实验的范围内。然而，对于大多数尚未探索的参数空间，我们期望$|ΔN_{\rm eff}| \lesssim O(10^{-3})$。一个理想的21厘米断层摄影调查的黑暗时代只限于宇宙的变化是潜在的敏感$|ΔN_{\rm eff}| \simeq O(10^{-6})$，在这种情况下，暗物质质量高达$m_ψ \sim 10 \, \textrm{MeV}$可以通过其对$N_{\rm eff}$的影响进行探测。
2019-01-07 astro-ph.CO hep-ph
Cosmological neutrino mass: a frequentist overview in light of DESI
本研究采用频率学派方法结合DESI等多组宇宙学数据约束中微子质量，得到含CMB的最严95%置信上限53 meV，还实现了不依赖CMB的独立约束，为后续DESI数据应用提供参考。
2025-07-29 astro-ph.CO
Small scale aspects of warm dark matter : power spectra and acoustic oscillations
我们提供了一个半解析研究的小尺度方面的功率谱的温暖的暗物质（WDM）的候选人，去耦，而相对论与任意分布函数。这些都是由两个广泛不同的尺度$k_{eq} \sim 0.01\,(\mathrm{Mpc})^{-1}$和$k_{fs}= \sqrt{3}\,k_{eq}/2\,< V^2_{eq} >^{1/2} $与$< V^2_{eq} >^{1/2} \ll 1 $的速度分散在物质辐射平等的特点。密度微扰的演化经历了三个阶段：相对论性和非相对论性粒子的辐射支配和物质支配。在第一阶段的早期ISW效应导致密度扰动的增强和$k \lesssim k_{fs}$的传递函数的平台。一个有效的流体描述出现在小尺度，其中包括在初始条件下的自由流动和不均匀性的影响。传递函数以$k \gtrsim 2 \,k_{fs}$为尺度表征\emph{WDM-acoustic oscillations}。本文分别在QCD和EW尺度下研究了两种具有非共振产生$m \sim \,\mathrm{keV}$的不育中微子模型的功率谱。后一种情况产生质量标度$\sim 10^{8}\,M_{\odot}$上的声振荡。我们的结果揭示了一个\emph{quasi-degeneracy}之间的质量，分布函数和去耦温度建议从目前的WDM N体模拟和莱曼- $α$森林数据的约束的无菌中微子的质量上的警告。给出了一种简单的大小尺…
2010-11-09 astro-ph.CO hep-ph
Probing Confining Dark Sectors with Cosmological Perturbations
University of Notre Dame（圣母大学）；University of Chicago（芝加哥大学）
研究强一级相变产生的复合暗物质，分析其产生的曲率扰动对宇宙微波背景和物质功率谱的影响，并利用观测限制相变参数。
2026-07-09 astro-ph.CO hep-ph
Large-Scale Structure Probes of the Post-Inflationary Axiverse
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；Theoretical Physics Department, CERN（欧洲核子研究中心理论物理部）；Physik-Institut, Universität Zürich（苏黎世大学物理研究所）；Department of Astronomy & Astrophysics, University of Chicago（芝加哥大学天文学与天体物理学系）；Kavli Institute for Cosmological Physics（卡弗里宇宙学物理研究所）
研究暴胀后轴子暗物质通过弦-畴壁网络产生等曲率扰动，利用高红移星系紫外光度函数、Lyman-α和CMB数据约束轴子质量，首次给出暴胀后轴子暗物质的主导宇宙学极限。
2026-06-02 astro-ph.CO hep-ph
Dark Matter Constraints from Small-Scale Cosmic Structure
University of California, San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；King’s College London（伦敦国王学院）；Imperial College London（帝国理工学院）；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；University of Chicago（芝加哥大学）；Kavli Institute for Cosmological Physics, University of Chicago（芝加哥大学卡弗里宇宙物理学研究所）
本文综述小尺度宇宙结构对暗物质的约束，聚焦小于1 Mpc尺度的可观测量，探讨其对微物理暗物质模型的限制、相关不确定性及未来观测设施的作用。
2026-07-31 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Cannibal dark matter decoupled from standard model: cosmological constraints
一个内部热化的暗物质（DM）在低温下只与标准模型（SM）粒子发生引力相互作用，可能在早期宇宙中经历数量变化的自散射，最终冻结到观测到的DM丰度。如果这些反应，例如$3 \rightarrow 2$过程，发生在DM是非相对论性的时候，DM会自我蚕食，在蚕食阶段比标准的非相对论性物质冷却得慢得多。正如早期的研究所示，如果食人阶段发生在物质主导的时代，那么结构形成的约束非常强。考虑的情况下，食人相冻结在辐射主导的时代，而不是，我们表明，食人DM去耦SM可以是可行的，符合所有目前的宇宙学约束。为此，我们解决了DM的温度和密度的耦合演化方程，并确定其丰度为不同的DM自耦合。然后，我们从宇宙微波背景功率谱，大爆炸核合成限制的相对论自由度，莱曼- $α$限制DM自由流长度和理论上的上限$3 \rightarrow 2$湮灭率从$S-$矩阵么正性这些参数的约束进行评估。我们发现，依赖于DM的自耦合，一个标量吃DM的质量在80 eV到700 TeV的范围内可以弥补所观察到的DM密度，并满足所有的限制，当初始DM温度（$T_{\rm DM}$）低于SM的一个（$T_{\rm SM}$），与$T_{\rm SM}/9100 \lesssim T_{\rm DM} \lesssim \,T_{\rm SM}/1.1$。
2022-11-02 astro-ph.CO hep-ph
Detectability of cold streams into high-redshift galaxies by absorption lines
沿着宇宙网暗物质细丝流动的冷气体被预测为早期宇宙中大质量星系的盘积累、剧烈盘不稳定和恒星形成的主要资源提供者。我们研究在何种程度上这些冷流是可追溯的扩展环银河系环境中的星系通过Ly α吸收和选定的低电离金属吸收线。我们使用高分辨率放大AMR宇宙学模拟的预期吸收签名模型。在后处理中，我们区分了自保护气体和非保护气体。在自屏蔽气体，这是光学厚莱曼连续辐射，我们假设纯碰撞电离的电离势大于13.6 eV的物种。在光学上薄的，无屏蔽的气体中，这些物质也被元星系辐射光电离。除了从背景类星体的辐射吸收，我们计算的吸收线轮廓的辐射发射的星系在同一晕的中心。我们预测的吸收信号的强度为个别星系没有堆叠。我们发现，由流产生的Ly α吸收剖面与观测高红移星系的吸收和发射Ly α剖面是一致的。由于溪流中的金属含量低，覆盖系数低，金属吸收特征较弱，难以检测。
2012-06-18 astro-ph.CO
Constraining sterile neutrino cosmologies with strong gravitational lensing observations at redshift z~0.2
我们使用所观察到的数量的subhaloes和视线暗物质haloes在一个样本的11个引力透镜系统从斯隆透镜ACS调查约束的自由流属性的暗物质粒子。特别是，我们将Vegetti等人2010年对小质量暗物质晕的探测与Vegetti等人2014年的未探测结合起来，并将导出的次晕和晕质量函数与冷暗物质（CDM）和共振产生的无菌中微子模型的预期进行比较。我们将半模质量，即线性物质功率谱相对于CDM模型减少50%的质量尺度，限制为2 $σ$水平的$\log M_{\rm{hm}} \left[M_\odot\right] < 12.0$（等效热遗迹质量$m_{\rm th} > 0.3$ keV）。这排除了中微子质量为$m_{\rm s} < 0.8$ keV的无菌中微子模型，其质量为$L_{\rm 6}$的任何值。我们的限制比目前提供的银河系卫星的数量，观测的3.5千电子伏的X射线线，和莱曼$α$森林。然而，它们比前者更健壮，因为它们受重子过程的影响更小。此外，与后者不同，它们不受星系际介质热历史假设的影响。为了获得更严格的约束，需要具有更高数据质量和更高源和透镜红移的引力透镜系统。
2018-10-09 astro-ph.CO
Cosmological Structure Formation in Decaying Dark Matter Models
标准的冷暗物质（CDM）模型预测了太多太密集的小结构。我们考虑另一种模型，暗物质经历两体衰变的宇宙学寿命$τ$到只有一种类型的大质量的子体与非相对论反冲速度$V_k$。这种衰变的暗物质模型（DDM）可以在与$τ$相当的时间尺度上抑制其自由流尺度以下的结构形成。与暖暗物质（WDM）相比，DDM可以更好地减少小结构，同时与高红适观测相一致。我们通过自洽N体模拟研究了DDM中宇宙结构的形成，指出宇宙学模拟对于理解DDM结构是必要的，特别是在非线性尺度上.我们提出了经验拟合函数的DDM抑制的质量函数和质量浓度关系，这取决于衰变参数的寿命$τ$和反冲速度$V_k$，和红移。在晕轮模型框架下，拟合函数可以精确地重构DDM到CDM的非线性功率传递函数。使用这些结果，我们设置约束的DDM参数空间，要求DDM不引起更大的抑制比莱曼- $α$约束WDM模型。我们进一步推广和约束的DDM模型的初始条件与非平凡的母分数，并表明晕模型的预测仍然有效后，考虑全球衰变分数。最后，我们指出，DDM是不可能解决的分歧之间的普朗克主要CMB预测和Sunyaev-Zeldovich（SZ）效应数计数$τ\sim H_{0}^{-1}$的集群数量。
2015-11-03 astro-ph.CO
Reconciling Cosmological Tensions with Inelastic Dark Matter and Dark Radiation in a $\boldsymbol{U(1)_D}$ Framework
本研究提出基于$U(1)_D$规范对称性的SIDR+$z_t$模型，结合非弹性暗物质与自相互作用暗辐射，通过求解玻尔兹曼方程验证其可同时缓解哈勃参数、$S_8$及莱曼α森林相关的多重宇宙学张力，且符合BBN约束与暗物质遗迹密度要求。
2024-10-08 astro-ph.CO hep-ph
The phase space density of fermionic dark matter haloes
我们通过数值实验研究了费米子暗物质粒子的初始热速度对它们所聚集的暗物质晕的物理分布和相空间密度分布的影响，发现粒子的初始热速度在两种分布中都诱导出中心核，这可以在相空间密度理论的框架下得到理解.我们发现模拟的晕的最大粗粒度相空间密度（在6维相空间中使用EnBid程序计算）非常接近理论上的细粒度上界，而伪相空间密度Q ~ ρ/σ^3高估了最大相空间密度达一个数量级。在模拟晕的内部区域的密度很好地描述了一个“伪等温”的核心配置文件。我们已经开发了一个简单的模型，该模型的基础上，观察到的星系的表面亮度分布和中心速度色散，准确地预测其中心相空间密度。应用这个模型的矮球状卫星的银河系产生的值接近0.5千电子伏的质量的一个假设的热暖暗物质粒子，假设卫星晕的核心产生的温暖的暗物质自由流。如此小的值与莱曼-α森林观测设定的1.2 keV下限相冲突。因此，如果银河系的矮球状卫星有核心，这些核心很可能是由于与形成中的星系相关的重子过程，也许是纳瓦罗，埃克和弗伦克提出的那种，并在最近的冷暗物质模型中模拟星系形成。
2013-01-21 astro-ph.CO astro-ph.GA
21 cm Cosmology Sensitivity to Small-Scale Structure: Warm vs Neutrino-Interacting Dark Matter
Université Libre de Bruxelles（布鲁塞尔自由大学）；Vrije Universiteit Brussel（布鲁塞尔自由大学）
本研究通过Fisher矩阵预测，评估了未来射电望远镜（如HERA）区分自由流暗物质（温暗物质）和中微子-暗物质相互作用引起的碰撞阻尼的能力，发现HERA可探测到中微子-暗物质相互作用强度低至约3×10^{-35} cm^2，但无法区分两种模型。
2025-11-19 astro-ph.CO
Dark Matter Density Profile Around a Newborn First Star
Kanagawa University（神奈川大学）；The University of Tokyo（东京大学）；Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (WPI), UT Institutes for Advanced Study, The University of Tokyo（宇宙物理与数学研究所（WPI），UT高等研究院，东京大学）
本研究通过高分辨率宇宙学流体动力学模拟，揭示了新生第一恒星周围暗物质的两阶段坍缩与绝热收缩形成的密度轮廓，发现其内部斜率受多种因素影响而呈现广泛分布，在计算引力波退相干时需考虑这种高达一个数量级的变化。
2025-11-04 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
A Global Semi-Analytic Model of the First Stars and Galaxies Including Dark Matter Halo Merger Histories
本文构建纳入 Monte Carlo 暗物质晕并合树的高红移第一代恒星与星系半解析模型，校准最小成星晕质量，并评估质量离散、LW反馈及有限模拟体积对 SFRD 的影响。
2023-12-04 astro-ph.CO astro-ph.GA
From Dark Matter Minihalos to Large-Scale Radiative Feedback: A Self-Consistent 3D Simulation of the First Stars and Galaxies using Neural Networks
针对第一代恒星与星系模拟需跨越大尺度的难题，提出用神经网络模拟小尺度单元的第三、第二星族恒星形成历史，实现大尺度LW背景与微晕并合过程的自洽模拟，精度较高且能复现更丰富的恒星形成特征。
2025-01-21 astro-ph.CO astro-ph.GA
