基于 JWST 高红移直接坍缩黑洞的温暗物质限制

我们使用一个半解析模型 $\{\it Delphi\}$，该模型联合追踪高红移（$z \simeq 4-20$）星系的暗物质与重子聚集，以洞察三种不同宇宙学下直接坍缩黑洞（DCBH）宿主的数量密度：标准冷暗物质（CDM）模型以及粒子质量分别为 3.5 和 1.5 keV 的两个温暗物质（WDM）模型。从 $\{\it Delphi\}$ 获得每个星系的 Lyman-Werner（LW）光度后，我们利用聚类偏析分析，将所有具有维里温度 $T_{vir}>=10^4$ K 且被高于临界值的 LW 背景辐照的原始晕识别为 DCBH 宿主。与先前研究高度一致，我们发现，在 CDM 模型中采用临界 LW 背景值 $30 J_{21}$（其中 $J_{21}= 10^{-21} \, {\rm erg\, s^{-1}\, Hz^{-1} \, cm^{-2} \, sr^{-1}}$）时，DCBH 数量密度从 $z\simeq 17.5$ 到 $8$ 由 $\sim10^{-6.1}$ 上升至 $\sim 10^{-3.5}\, \mathrm{cMpc^{-3}}$。我们发现，在 1.5 keV WDM 模型中，结构形成延迟与星系聚集加速的共同作用导致金属增丰更晚以及 LW 背景加速建立，从而使得 DCBH 宿主持续存在到低得多的红移（$z \simeq 5$），而在 CDM 中 DCBH 宿主仅存在到 $z \simeq 8$。最后我们展示了即将发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（$\{\it JWST\}$）上的近红外相机（NIRCam）三个不同波段下的预期颜色如何可用于搜寻潜在的 $z \simeq 5-9$ DCBH，从而提供关于 WDM 粒子质量的线索。