衰变暗物质与原初黑洞的 21cm 限制

最近，宇宙再电离时期全球信号探测实验（EDGES）报告称探测到了比天体物理学预期更强的 21cm 吸收信号。在本文中，我们研究了暗物质（DM）衰变和原初黑洞（PBH）产生的辐射对再电离时期 21cm 辐射温度的影响，并对星际介质中衰变暗物质和 PBH 的能量注入施加了限制，这些能量注入可以加热中性氢气体并减弱 21cm 吸收信号。我们考虑了衰变道 DM$\rightarrow e^+e^-, \gamma\gamma$, $\mu^+\mu^-$, $b\bar{b}$ 以及 $10^{15-17}$g 质量范围的原初黑洞，并要求对中性氢的加热不会抵消 21cm 吸收信号。对于 $e^+e^-$、$\gamma\gamma$ 终态和 PBH 情形，我们发现了强 21cm 限制，可比现有的河外弥漫光子限制更为严格。对于 DM$\rightarrow e^+e^-$ 道，在亚 GeV 暗物质情况下寿命限制为 $\tau_{\rm DM}> 10^{27}$s。对于亚 GeV 的 DM$\rightarrow \gamma\gamma$ 道，该限制为 $\tau_{\rm DM}\ge 10^{26}$s，并在暗物质质量为 MeV 时达到 $10^{27}$s。对于 $b\bar{b}$ 和 $\mu^+\mu^-$ 情形，在 $m_{\rm DM}<20$ GeV 时 21cm 限制优于所有现有限制，此时 $\tau_{\rm DM}\ge10^{26}$s。对于 DM 衰变和原初黑洞情形，21cm 限制均显著优于 Planck 数据给出的 CMB 阻尼限制。