来自高红移宇宙恒星形成率密度的天体粒子约束：当前状况与 JWST 展望

我们利用最近在红移 $z\gtrsim 4$ 处确定的宇宙恒星形成率（SFR）密度，推导对三种常见的、替代标准冷暗物质（CDM）的暗物质情景的天体粒子约束：温暗物质（WDM）、模糊暗物质（$\psi$DM）和自相互作用暗物质（SIDM）。我们的分析依赖于哈勃空间望远镜测量的 UV 光度函数，其延伸至 $z\lesssim 10$ 且下探至 UV 星等 $M_{\rm UV}\lesssim -17$。我们将这些外推至更暗的尚未探测的星等范围，并与给定暗物质情景下的晕质量函数进行丰度匹配，从而得到 UV 星等与晕质量之间的关系。然后，我们通过将外推的 UV 光度函数积分至暗星等极限 $M_{\rm UV}^{\rm lim}$ 来计算宇宙 SFR 密度，该极限由两个自由参数经上述丰度匹配关系确定：星系形成的最小阈值晕质量 $M_{\rm H}^{\rm GF}$，以及表征各暗物质情景的天体粒子量 $X$（即 WDM 和 $\psi$DM 的粒子质量，以及 SIDM 的解耦动能温度 $T_X$）。我们通过 MCMC 技术对上述参数进行贝叶斯推断，将我们方法的宇宙 SFR 密度与当前 $z\gtrsim 4$ 处的观测估计比较，在 $68\%$（$95\%$）$68\%$ 置信水平上将 WDM 粒子质量约束为 $m_X\approx 1.2^{+0.3\,(11.3)}_{-0.4\,(-0.5)}$ keV，$\psi$DM 粒子质量约束为 $m_X\approx 3.7^{+1.8\,(+12.9.3)}_{-0.4\,(-0.5)}\times 10^{-22}$ eV，SIDM 温度约束为 $T_X\approx 0.21^{+0.04\,(+1.8)}_{-0.06\,(-0.07)}$ keV。然后我们展望：若 JWST 在 $z\gtrsim 10$ 处 UV 光度函数的早期数据被证实可下探至极暗星等，则即将到来的宇宙 SFR 密度精细化估计将如何加强这些约束。