通过小波散射变换探测模糊暗物质在21 cm信号中的作用

我们利用小波散射变换（wavelet scattering transform, WST）探讨了模糊暗物质（fuzzy dark matter, FDM）对宇宙黎明和再电离时代红移21 cm信号的影响。由约$10^{-22}$ eV质量的准轻标量粒子组成的FDM表现出量子压力，抑制该物质在德布罗意波长以下的小尺度结构形成，从而延迟恒星形成并修改星际介质的热力学历史。我们使用包含FDM线性与非线性结构形成效应的改进版21cmFAST模拟器，通过分析二维21 cm亮度温度场的一次阶与二次阶WST系数来进行研究。一次阶系数$S_1(j)$量化尺度相关方差，类似于功率谱；归一化二次阶比值$R(j_1,j_2)=S_2/S_1$捕捉非高斯的尺度间耦合。我们发现，特别是大尺度与中间尺度之间的低阶耦合，对FDM粒子质量极为敏感，且在类天文中场一号低频（SKA1-Low）样条热噪声下仍保持稳健性。定量地，WST系数在$m_{\mathrm{FDM}}=10^{-22}$ eV时，CDM与FDM之间的配对距离为$\Delta \simeq 225$，表明即使在现实观测条件下，该框架也能有效区分波动性暗物质与冷暗物质情形。我们的结果表明，WST是一种强大且对噪声容忍的统计工具，可用于通过即将到来的21 cm观测探测暗物质的波动性本质。