混合暗物质中的自由流

通过实施多组分等离子体理论中的方法，研究了无碰撞非相对论暗物质 (DM) 粒子\emph{混合物}中的自由流。该混合物包括在相对论状态下于平衡态退耦的费米子、凝聚和非凝聚玻色子粒子，重非相对论热遗迹 (WIMPs)，以及在相对论状态下\emph{非平衡}退耦的惰性中微子。自由流长度 $\lambda_{fs}$ 由引力极化函数的边际零点获得，该零点分离了短波长 Landau 阻尼与长波长 Jeans 不稳定的\emph{集体}模式。在红移 $z$ 处，我们发现 $\frac{1}{\lambda^2_{fs}(z)}= \frac{1}{(1+z)} \big[\frac{0.071}{\textrm{kpc}} \big]^2 \sum_{a}\nu_a g^{2/3}_{d,a}({m_a}/{\mathrm{keV}})^2 I_a$，其中 $0\leq \nu_a \leq 1$ 是有效超相对论自由度数为 $g_{d,a}$ 时退耦的质量为 $m_a$ 的各 DM 组分的\emph{分数}，$I_a$ 仅取决于退耦时的分布函数，并在所有情况下明确给出。如果产生于共振或非共振并在 QCD 标度附近退耦的惰性中微子是\emph{唯一}的 DM 组分，我们发现 $\lambda_{fs}(0) \simeq 7 \mathrm{kpc} (\mathrm{keV}/m)$ (非共振)，$\lambda_{fs}(0) \simeq 1.73 \mathrm{kpc} (\mathrm{keV}/m)$ (共振)。如果质量 $m_{wimp} \gtrsim 100 \mathrm{GeV}$ 且在 $T_d \gtrsim 10 \mathrm{MeV}$ 退耦的 WIMPs 以 $\nu_{wimp} \gg 10^{-12}$ 存在于混合物中，则 $\lambda_{fs}(0) \lesssim 6.5 \times 10^{-3} \mathrm{pc}$ 由 CDM\emph{主导}。如果玻色 - 爱因斯坦凝聚是 DM 组分，由于分布函数的红外增强，其自由流长度与 CDM 一致。