再电离拓扑作为自相互作用暗物质的探针

宇宙再电离的拓扑结构，即电离泡的大小、形状和连通性，是下一代21厘米实验的主要观测量。我们证明这种拓扑结构对暗物质的微观物理敏感。自相互作用暗物质（SIDM），其截面$\sigma/m\sim 1$--$10\;\mathrm{cm^2/g}$由小尺度结构异常所驱动，会降低晕中气体的结合能并增加电离光子逃逸的占空比。在固定的全局中性氢比例$\bar{x}_{\rm HI}$下，这将源群体从稀少的、非常明亮的发射体重塑为数量更多、中等亮度的发射体，从而产生性质上不同的电离形态。我们将此效应分解为两个尺度依赖的杠杆：在$k\lesssim 0.1\;h/\mathrm{Mpc}$处有$2$–$3\%$的发射率加权偏置偏移，以及在$k\sim 0.1$–$1\;h/\mathrm{Mpc}$处有因子$2$–$4$的散粒噪声抑制。在$128^3$分辨率下进行的逐晕半数值模拟证实，对于$\sigma/m \gtrsim 2\;\mathrm{cm^2/g}$，电离场的欧拉示性数增加了$\sim 60$–$70\%$，在十个独立实现中以$3.8\sigma$的显著性被探测到。一个将结合能降低通过ISM柱密度分布与占空比联系起来的吹出模型给出了在$\sigma/m \sim 1$–$2\;\mathrm{cm^2/g}$处的探测阈值。该信号超过了冷暗物质（CDM）的重子不确定性范围，并且对发射率参数化的函数形式具有鲁棒性。即使引力加热抵消了$50$–$75\%$的爆出增强，该信号仍然存在，并且不会被未解析的低质量源所稀释。速度依赖的SIDM产生了一个性质上不同的、符号相反的偏置偏移。这些预测可以通过SKA1-Low进行检验，从而将再电离确立为一个探测暗物质模型的新舞台，与矮星系和星系团形成互补。