强度映射作为轴子暗物质的探测手段

谱线强度映射（IM）通过将观测模式总数相比宇宙微波背景（CMB）各向异性提高几个数量级，有潜力革新宇宙学。在本文中，我们考虑在红移范围 $0 \lesssim z \lesssim 3$ 内对中性氢（HI）进行强度映射，采用晕模型方法，其中假设 HI 遵循暗物质（DM）晕的分布。如果一部分暗物质由超轻轴子组成，则低于轴子金斯质量的晕的丰度相比冷暗物质发生改变。在固定的总 HI 密度 $\Omega_{\rm HI}$ 假设完全居于晕中的前提下，该效应在高于轴子金斯尺度的尺度上引入了 HI 功率谱的尺度无关增强，我们的模型预测与 N 体模拟一致。更轻的轴子由于其在金斯尺度附近对物质功率谱的抑制，即使在线性尺度上也引入尺度依赖特征。我们使用 Fisher 矩阵形式预测未来 HI 巡天约束暗物质轴子比例并边缘化天体物理与模型不确定性的能力。我们发现 HIRAX 类巡天是一种非常可靠的 IM 巡天配置，受非线性尺度不确定性的影响最小，而 SKA1MID 配置约束能力最强，因为它对非线性尺度敏感。包含非线性尺度并将 SKA1MID 类 IM 巡天与 Simons 天文台 CMB 结合，具有 $m_a = 10^{-22}\text{ eV}$ 的基准“模糊暗物质”模型可被约束在 10% 水平。对于更轻的超轻轴子（ULA），该限制改善至 1% 以下，并允许在宽质量范围内检验轴子模型与大统一尺度之间的联系。