利用宇宙再电离与引力波约束温暗物质质量

我们利用宇宙再电离和 CMB 光学深度的观测来约束温暗物质 (WDM) 粒子质量。我们建议，来自恒星质量黑洞 (BHs) 的引力波 (GWs) 可为未来观测提供对 WDM 粒子质量的进一步约束。我们还推导了星族 I/II (Pop I/II) 和星族 III (Pop III) 恒星的恒星形成率 (SFRs)。如果宇宙的金属丰度已被富集超过临界值 $Z_{\rm crit}=10^{-3.5}Z_{\odot}$，恒星形成将从 Pop III 转向 Pop I/II 恒星。我们的结果表明，SFRs 高度依赖于 WDM 粒子质量，尤其是在高红移处。结合近期 \emph{Planck} 任务得出的再电离历史和 CMB 光学深度，我们发现当前数据要求 WDM 粒子质量处于 $1 < m_x < 3$ keV 的狭窄范围内。此外，我们建议由恒星 BHs 产生的随机引力波背景 (SGWB) 可为未来观测提供对 WDM 粒子质量的进一步约束。对于 $m_{x}=3$ keV 且采用 Salpeter (Chabrier) 初始质量函数 (IMF) 的情况，来自 Pop I/II BHs 的 SGWB 在 $f= 316 {\rm Hz}$ 处具有 $\Omega_{\rm GW}\approx2.8\times 10^{-9}~(5.0\times 10^{-9})$ 的峰值振幅，而 $f<10$Hz 处的引力波辐射被严重抑制。对于 $m_{\rm x}=1$ keV 的情况，SGWB 峰值振幅与 $m_{\rm x}=1$ keV 时相同，但在低频处略低。因此，很难通过来自 Pop I/II BHs 的 SGWB 来约束 WDM 粒子质量。为了评估引力波信号的可探测性，我们还计算了信噪比 (SNR)，对于采用 Salpeter (Chabrier) IMF 的 Einstein Telescope (ET)，在 $m_{\rm x}=3$ keV 和 $m_{\rm x}=1$ keV 时分别为 $\rm SNR=37.7~ (66.5)$ 和 $27~(47.7)$。