来自理论、星系观测和N体模拟的暗物质粒子约束

我们获得了暗物质（DM）候选粒子的质量约束，这些粒子在任意各向同性和均匀分布函数下与平衡态或非平衡态解耦。引入了一个粗粒化的刘维尔不变量原初相空间密度 $\mathcal{D}$。将其数值与银河系中矮椭球星系的最新测光和运动学数据、当今暗物质密度以及 N 体模拟相结合，我们得到了暗物质候选粒子的质量、原初相空间密度和速度弥散的上下界。暗物质粒子的质量被约束在几 keV 范围内。如果化学冻结发生在热退耦之前，轻玻色子粒子可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。我们将这种玻色-爱因斯坦凝聚作为暗物质候选者进行研究。根据临界温度 $T_c$ 与退耦温度 $T_d$ 之间的关系，轻 BEC 遗迹可以充当冷暗物质，但退耦尺度必须高于电弱尺度。该凝聚态收紧了粒子质量的上界。我们详细分析了描述粒子产生和部分热化的非平衡情景、平衡外产生的惰性中微子以及其他暗物质模型，获得了它们的质量、原初相空间密度和速度弥散的约束。质量约 $\sim$ 几 keV 的轻热遗迹粒子和惰性中微子导出的原初相空间密度与核平坦矮椭球星系兼容，而不支持尖峰卫星。轻玻色凝聚暗物质候选者给出的相空间密度与核平坦一致，若 $T_c \gg T_d$ 则也与尖峰一致。N 体模拟给出的相空间密度约束对 $m \sim 100\ \mathrm{GeV}$、$T_d \sim 10\ \mathrm{MeV}$ 的 WIMPs 暗示了潜在的张力。