对宇宙早期小尺度上密度扰动功率谱的研究

The density perturbations in the early universe are origial conditions of the cosmological evolution and it originates from the inflation. They are usually described by the power spectrum . Research and measure on the power spectrum of the early density perturbations not only can provide the evidence of the inflation but also give a very important way to distinguish different inflation moodels. So far, the constraints on the power spectrum of the early density perturabations mainly come from the observations of CMB, large scale structures and Lyman-alpha forest. But these results mainly focuse on the large scales (k~10^-4-2 Mpc^-1). The constraints on smaller sclaes (k~2-10^19 Mpc^-1) mainly come from the study on the primordial black holes, but the final constrains are veay weaker. The proposal of the ultracompact dark matter minihalos (UCMHs) provides a new and better way to study the power spectrum of the early density perturabations on the small scales. This project will study the impact of the product of the dark matter annihilation (electrons, positrons and protons) winthin the UCMHs on the related observations and the impact on the 21cm during the evolution of cosmic. We will use the exising data (PAMELA, Fermi and AMS-2) and the exising and future experiments of 21cm ( LOFAR and SKA) to give the constaints (or forecast) on the abundance of UCMHs and finaly get the constraints on the power spectrum of the early density perturabations of small scales.

宇宙早期的密度扰动是宇宙演化的初始条件，它源于早期的暴涨，宇宙学研究中常用密度扰动功率谱来描述。对功率谱的研究和测量不但是宇宙暴涨的证据，而且为区分不同的暴涨模型提供重要依据。现在对宇宙早期密度扰动功率谱的限制来源于对CMB，宇宙大尺度结构和Lyman-alpha森林的观测，但主要在大尺度上。小尺度上的限制主要来源于对原始黑洞的研究，但限制非常弱。超致密暗物质晕的提出给宇宙早期小尺度上密度扰动功率谱的研究提供了一种新的更好方式，弥补了现有研究和观测的不足。本项目拟研究暗物质粒子在超致密暗物质晕中湮灭和衰变产生的带电粒子对相关天文观测的影响和在宇宙演化过程中对21cm射电信号的影响，通过现有的观测结果（PAMELA，Fermi和AMS-2）和在运行的及未来的21cm实验观测（LOFAR，SKA等）对超致密暗物质晕的宇宙学丰度给出（预期）限制，并最终得到对宇宙早期小尺度上密度扰动功率谱的限制。

对宇宙早期密度扰动功率谱的研究是宇宙学研究的重点之一。现在对其幅度的限制主要来自对CMB和PBHs的研究。CMB的限制集中在大尺度，PBHs的限制集中在小尺度。此外，相比PBHs的限制，CMB对幅度的限制要好得多。由于不同的暴涨模型预言了不同的密度扰动功率谱，因此，用其他方法来研究宇宙早期小尺度上密度扰动功率谱是非常重要的。本项目对这一问题进行了深入的研究。近年来，一种新的暗物质结构超致密暗物质小晕（UCMHs）被提出。UCMHs的特点之一是形成时间早，因此类似于PBHs对UCMHs的研究可以用来研究宇宙早期密度扰动功率谱。同时，UCMHs的另外一个显著特点是暗物质在其中的分布非常陡峭。由于暗物质的湮灭率（或衰变率）正比于暗物质粒子数密度的平方（或数密度），因此，暗物质粒子在UCMHs中湮灭（或衰变）产生的流强非常大。本项目中我们主要研究了暗物质粒子在UCMHs中湮灭产生的其他粒子如中微子等对相关观测的贡献或影响，进而得出了对宇宙早期密度扰动功率谱的限制。通过对UCMHs中暗物质粒子衰变成中微子流强的研究我们得出了对宇宙早期密度扰动功率谱幅度的限制，最强的限制为10^−7 ，对应尺度为k -10^3 Mpc^−1。我们还重点研究了暗物质粒子在UCMHs中湮灭成陶子中微子的流强并得出对宇宙早期密度扰动功率谱幅度的限制，此结果的主要特点是：相比之前的结果，新的限制尺度提高了约一个数量级，即从10^7提高到10^8 Mpc^-1。此外，我们还研究了暗物质在UCMHs中的湮灭对21cm射电信号的影响。研究发现，对一定宇宙学丰度的UCMHs，它们对21cm射电信号的影响是非常明显的。由于暗物质粒子的基本参数对我们的研究非常重要，因此我们也用最新的Planck数据对暗物质湮灭和衰变的相关参数进行了最新的限制。用UCMHs对宇宙早期密度扰动功率谱的研究对于宇宙学相关的研究，如暴涨等，具有一定的意义和作用，同时也弥补了CMB和PBHs对宇宙早期部分小尺度上密度扰动功率谱限制的不足。