论暗物质–暗辐射相互作用与宇宙再电离

我们宇宙暗区一个引人入胜的可能性是暗物质粒子可能与暗辐射成分相互作用。若暗物质与暗辐射物种同标准模型粒子的非引力相互作用被高度抑制，则天体物理与宇宙学或许是我们探测此类暗区动力学的唯一窗口。众所周知，这类暗区会导致小尺度结构被压制，并将受到莱曼-$\alpha$ 森林测量的约束。本工作中，我们考虑此类暗区对我们宇宙再电离历史的宇宙学特征。在“ETHOS”（结构形成有效理论）框架内，我们表明若此类暗区存在于我们的宇宙中，低质量暗物质晕的缺失也将减少电离光子的总数，从而影响宇宙的再电离历史。我们利用普朗克卫星测得的光学深度值，以及成功再电离历史的要求，对这类暗区内的相互作用强度给出约束。我们将此类情形与同样压制小尺度结构形成的温暗物质情形进行比较对照。在一个暗物质与惰性中微子相互作用的模型中，我们得到 ETHOS 参数 $a_4\lesssim 1.2\times10^6\textrm{ Mpc}^{-1}$ 的界限。对于温暗物质模型，我们约束其质量 $m_{\textrm{WDM}}\gtrsim 0.7\textrm{ keV}$，这与莱曼-$\alpha$ 测量所得界限相当。未来的 21 厘米实验将测量再电离的整体历史及中性氢功率谱，这可能带来更强的约束或暗区秘密相互作用的发现。