利用SDSS Lyman-$\alpha$森林约束轻玻色子暗物质质量

如果宇宙中的相当一部分暗物质由名为模糊暗物质（FDM）的超轻标量场构成，其质量 $m_a$ 在 $10^{-22}-10^{-21}$ eV 量级，那么其德布罗意波长足够大，足以影响大尺度结构形成的物理。特别地，线性物质功率谱中的相关截止修改了由遥远类星体的Lyman-$\alpha$森林所探测尺度上的星际介质（IGM）的结构。我们利用考虑了IGM流体动力学的专用宇宙学模拟研究了这一效应。我们启发式地探索了此处所考虑FDM质量的量子压力振幅，并得出结论：对于 $m_a \geq 10^{-22}$ eV，量子效应不应显著修改与所测量的Lyman-$\alpha$通量功率相关尺度上的物质密度的非线性演化。我们推导了 $m_a$ 与充分研究的温热暗物质（WDM）模型质量之间的一个标度律，该标度律最适合Lyman-$\alpha$森林数据，并且与通过简单线性外推推断出的标度律显著不同。通过将FDM模拟与由BOSS巡天确定的Lyman-$\alpha$通量功率谱进行比较，并对相关 nuisance 参数进行边际化，我们在95% CL下排除了 $10^{-22} \leq m_a < 2.3\times 10^{-21}$ eV 范围内的FDM质量。添加更高分辨率的Lyman-$\alpha$光谱将排除范围扩展至 $2.9\times 10^{-21}$ eV。这为专为解决 $\Lambda$CDM 的“小尺度问题”而设计的FDM模型提供了重要约束。