我们的超轻轴子近似有多可靠?

超轻轴子(ULAs)是一种有前景的暗物质候选者。ULAs 可能对 $\Lambda$CDM 模型的小尺度疑难产生影响,并出现于弦论情形中。ULAs 已受宇宙微波背景(CMB)实验与大尺度结构巡天约束,并将被未来实验以更高灵敏度探测。由于 ULA 场快速振荡,在 ULA 情形中计算宇宙学可观测量以足够速度与精度用于数据分析颇具挑战。以往工作采用有效流体近似使这些计算可行。本文将该近似与 ULA 方程的精确解对比,比较其所引致的 CMB 可观测量误差与当前及未来实验的灵敏度。在 ULA 暗物质成分最受约束的质量区间($10^{-27}~{\rm eV}\leq m_{\rm ax}\leq 10^{-25}~{\rm eV}$),由 Planck 数据引致的 ULA 暗物质允许比例偏差小于 $1\sigma$。在宇宙方差极限下(含温度与偏振数据),对原初 CMB 各向异性的偏差为 $\lesssim 2\sigma$,而对可靠性较低的 effective fluid approximation 版本偏差更严重(高达约 $4\sigma$)。若所有标准宇宙学参数均由其他测量固定,预期偏差升至 $4-20\sigma$(远超 Fisher 近似有效性),但所需的简并破除水平任何已规划巡天均无法达到。