来自暗物质自旋翻转相互作用的强宽带 21 cm 宇宙学信号

在标准宇宙学中，普遍认为全局宇宙学 21 cm 信号中存在两个相对微弱且分立的带限吸收特征：第一个吸收极小位于约 20 MHz（$z\sim70$），另一个极小位于 50-110 MHz（$z\sim12-27$）的较高频率处，分别对应于宇宙黑暗时代碰撞气体动力学与宇宙黎明首批恒星的 Lyman-$\alpha$ 光子的特征。在具有额外气体冷却的模型中，预期也有类似的两个分立带限但更强的吸收特征，此类模型曾被用来解释 EDGES 信号。本工作中，我们探索了一种新机制：暗物质通过轻轴矢量媒介与电子的自旋翻转相互作用，可直接诱导出特征迥异于上述任一情形的 21 cm 吸收信号。我们一般地发现，我们的模型预言了一个强宽带吸收信号，从低至 1.4 MHz（$z\sim1000$，即常规信号预期缺席的宇宙黑暗时代早期）一直延伸到较高频率处恒星形成与 X 射线加热效应终止吸收信号的位置。在标准宇宙学与额外气体冷却模型中，由吸收信号推断的气体自旋温度被视为气体动能温度的示踪。然而在我们的模型中，我们发现于参数空间的某些区域自旋温度与动能温度演化不同，且吸收信号仅测量自旋温度的演化。我们模型中有兴趣的大片参数空间不受现有约束影响，但未来在 mm 至 nm 尺度上搜寻电子间短程自旋依赖力，有可能发现导致我们所预言信号的轻媒介。