星系紫外光度函数与再电离对轴子暗物质的约束

如果暗物质 (DM) 由轴子构成，那么宇宙中的结构形成将在轴子金斯尺度以下受到抑制。利用轴子与冷暗物质混合暗物质模型的光晕质量函数解析模型，结合丰度匹配技术，我们构建了紫外光度函数。轴子抑制了高红移星系的形成，且紫外光度函数在最暗极限星等处截断。根据紫外光度函数，我们预测了宇宙的再电离历史，发现轴子暗物质导致再电离发生在较低红移处。我们利用红移范围 $z=6$-$10$ 内的哈勃超深场紫外光度函数，以及从宇宙微波背景偏振测量得到的再电离光学深度 $\tau$，寻找轴子存在的证据。我们所考虑的所有探测手段一致排除了 $m_a\lesssim 10^{-23}\text{ eV}$ 的轴子贡献超过一半暗物质的可能性，其中最强的约束以超过 $8\sigma$ 的显著性排除了该模型。在保守的再电离模型中，质量为 $m_a=10^{-22}\text{ eV}$ 的主导暗物质分量与测得的 $\tau$ 值存在 $3\sigma$ 的张力，这对轴子解决尖点 - 核心问题施加了压力。若轴子仅贡献一半的暗物质，则张力减小至 $2\sigma$。未来 JWST 在 $z=10$-$13$ 范围内对紫外光度函数的测量将为支持或反对 $m_a=10^{-22}\text{ eV}$ 提供进一步证据。利用 Advanced ACTPol 对未来动力学 Sunyaev-Zel'dovich 效应的测量来约束再电离的时间和持续时间，将有可能探测更高的质量 $m_a=10^{-21}\text{ eV}$。