COZMIC. I. 初始条件超越冷暗物质的宇宙学放大仿真

我们提出72套基于冷、无碰撞暗物质（CDM）之外的初始条件的宇宙学暗物质-only $N$-body放大仿真，作为COZMIC系列的第一部分。我们模拟了太阳系（MW）类系统，其线性物质功率谱 $P(k)$ 包含i) 热余弡暖暗物质（WDM），质量为 $m_{\mathrm{WDM}}\in [3,4,5,6,6.5,10]~\mathrm{keV}$，ii) 模糊暗物质（FDM），质量为 $m_{\mathrm{FDM}}\in [25.9,69.4,113,151,185,490]\times 10^{-22}~\mathrm{eV}$，iii) 相互作用暗物质（IDM），其相对粒子速度依赖的弹性质子散射截面为 $\sigma=\sigma_0 v^n$，规模 $n\in [2,4]$，暗物质质量 $m_{\mathrm{IDM}}\in[10^{-4},~ 10^{-2},~ 1]$ GeV。对于FDM与WDM，次星质量函数（SHMF）的抑制在FDM中明显更陡峭；而IDM的 $P(k)$ 中的暗声学振荡可减少SHMF抑制。我们对SHMF模型进行拟合，从MW卫星星系群体中推导出新的WDM和FDM约束，得到 $m_{\mathrm{WDM}}>5.9~\mathrm{keV}$ 和 $m_{\mathrm{FDM}}>1.4\times 10^{-20}~\mathrm{eV}$（置信区间为95%）；这些限制分别比先前约束弱约10%和强5倍，归因于更新的传递函数和SHMF模型。我们估算了对于 $n=2$（$n=4$）的IDM约束，分别得到 $\sigma_0 < 1.0\times 10^{-27}$, $1.3\times 10^{-24}$, 和 $3.1\times 10^{-23}~\mathrm{cm}^2$（$\sigma_0 < 9.9\times 10^{-27}$, $9.8\times 10^{-21}$, 和 $2.1\times 10^{-17}~\mathrm{cm}^2$）对应 $m_{\mathrm{IDM}}=10^{-4}$, $10^{-2}$, 和 $1$ GeV。因此，未来的IDM模型开发可通过当前数据提高IDM截面约束约为 $\sim 20$ 倍。COZMIC为准确的超越CDM宇宙学中小尺度结构建模迈出了重要一步，这对于即将到来的观测搜索暗物质物理至关重要。