超轻类轴子场的宇宙学含义

利用宇宙学观测检验超轻类轴子场（ULA）的印记，其势 $V(\phi)\propto[1-\cos(\phi/f)]^n$ 由轴子场值 $\phi$ 和衰变常数 $f$ 确定。标量场动力学表明，该场初始冻结，当哈勃参数降至某临界值以下时开始绕其极小值振荡。对于 $n=1$，一旦动力学化，轴子能量密度按物质稀释；对于 $n=2$ 按辐射稀释；对于 $n=3$ 比辐射稀释更快。使用从通常 $n=1$ 情形推广的有效流体近似，包含了 ULA 的均匀演化及其线性扰动的动力学。ULA 模型由场变为动力学时的红移 $z_c$、该时刻轴子场中的分数能量密度 $f_{z_c} \equiv \Omega_a(z_c)/\Omega_{\rm tot}(z_c)$ 以及有效声速 $c_s^2$ 参数化。利用 Planck、BAO 和 JLA 数据，获得了 $f_{z_c}$ 的约束。若 $1+z_c \lesssim 10$，ULA 对所有三种势都与暗能量简并。当 $3\times10^4 \gtrsim 1+z_c \gtrsim 10$ 时，$f_{z_c}$ 被限制为对 $n=1$ 有 $\lesssim 0.004$，对另两种势有 $f_{z_c} \lesssim 0.02$。约束随后随 $z_c$ 增大而放松。这些结果强烈限制了将 ULA 作为宇宙学张力（如哈勃常数的分歧测量或 EDGES 对全球 21 cm 信号的测量）的解决方案。