- Open Access
Constraining mixed dark matter models with high-redshift Lyman-alpha forest data
Phys. Rev. D 112, 043502 – Published 1 August, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/4k29-h99l
Abstract
This study sets new constraints on dark matter (CWDM) models by leveraging the small-scale suppression of structure formation imprinted in the Lyman- forest. Using the Sherwood-Relics suite, we extract high-fidelity flux power spectra from simulated Lyman- forest data, spanning a broad range of cosmologies and thermal histories. This enables precise constraints on the warm dark matter (WDM) fraction, , and the mass of the WDM particle, . A key advancement of our analysis is the integration of a neural network emulator directly at the likelihood level, significantly accelerating Bayesian parameter inference. With new observations of high-redshift () quasar spectra from UVES and HIRES, we establish stringent upper limits: for , we find (), with constraints loosening to 35%, 50%, and 67% for , and 4 keV, respectively. Our results for pure WDM reaffirm the lower bounds of previous work. Crucially, we account for the fixed resolution of simulations and the impact of patchy reionization, demonstrating their minimal influence on mixed dark matter constraints. This robustness paves the way for tighter bounds with improved statistical samples in the future. Our findings suggest that CWDM models can naturally accommodate mild suppression of matter clustering in the high-redshift Lyman- forest 1D flux power, potentially offering a resolution to some of the ongoing cosmological tensions at low redshifts, namely the tension.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
References (128)
- N. Aghanim, Y. Akrami, M. Ashdown, J. Aumont, C. Baccigalupi, M. Ballardini, A. J. Banday, R. B. Barreiro, N. Bartolo et al. (Planck Collaboration), Astron. Astrophys. 652, C4 (2021).
- A. Klypin, A. V. Kravtsov, O. Valenzuela, and F. Prada, Astrophys. J. 522, 82 (1999).
- B. Moore, S. Ghigna, F. Governato, G. Lake, T. Quinn, J. Stadel, and P. Tozzi, Astrophys. J. Lett. 524, L19 (1999).
- J. D. Simon, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 57, 375 (2019).
- C. Engler, A. Pillepich, A. Pasquali, D. Nelson, V. Rodriguez-Gomez, K. T. E. Chua, E. K. Grebel, V. Springel, F. Marinacci, R. Weinberger et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 507, 4211 (2021).
- A. S. Font, I. G. McCarthy, and V. Belokurov, Mon. Not. R. Astron. Soc. 505, 783 (2021).
- W. J. G. de Blok, Adv. Astron. 2010, 789293 (2010).
- I. M. E. Santos-Santos, J. F. Navarro, A. Robertson, A. Benítez-Llambay, K. A. Oman, M. R. Lovell, C. S. Frenk, A. D. Ludlow, A. Fattahi, and A. Ritz, Mon. Not. R. Astron. Soc. 495, 58 (2020).
- M. Boylan-Kolchin, J. S. Bullock, and M. Kaplinghat, Mon. Not. R. Astron. Soc. 415, L40 (2011).
- M. Boylan-Kolchin, J. S. Bullock, and M. Kaplinghat, Mon. Not. R. Astron. Soc. 422, 1203 (2012).
- A. R. Wetzel, P. F. Hopkins, J. Kim, C.-A. Faucher-Giguère, D. Kereś, and E. Quataert, Astrophys. J. Lett. 827, L23 (2016).
- J. Samuel, A. Wetzel, E. Tollerud, S. Garrison-Kimmel, S. Loebman, K. El-Badry, P. F. Hopkins, M. Boylan-Kolchin, C.-A. Faucher-Giguère, J. S. Bullock et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 491, 1471 (2020).
- L. V. Sales, A. Wetzel, and A. Fattahi, Nat. Astron. 6, 897 (2022).
- M. White, R. Zhou, J. DeRose, S. Ferraro, S.-F. Chen, N. Kokron, S. Bailey, D. Brooks, J. García-Bellido, J. Guy et al., J. Cosmol. Astropart. Phys. 02 (2022) 007.
- S. Ferraro, N. Sailer, A. Slosar, and M. White, arXiv:2203.07506.
- A. Amon, N. C. Robertson, H. Miyatake, C. Heymans, M. White, J. DeRose, S. Yuan, R. H. Wechsler, T. N. Varga, S. Bocquet et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 518, 477 (2023).
- M. M. Ivanov, O. H. E. Philcox, G. Cabass, T. Nishimichi, M. Simonović, and M. Zaldarriaga, Phys. Rev. D 107, 083515 (2023).
- J. U. Lange, A. P. Hearin, A. Leauthaud, F. C. van den Bosch, E. Xhakaj, H. Guo, R. H. Wechsler, and J. DeRose, Mon. Not. R. Astron. Soc. 520, 5373 (2023).
- G. S. Farren, A. Krolewski, N. MacCrann, S. Ferraro, I. Abril-Cabezas, R. An, Z. Atkins, N. Battaglia, J. R. Bond, E. Calabrese et al., Astrophys. J. 966, 157 (2024).
- S.-F. Chen, M. M. Ivanov, O. H. E. Philcox, and L. Wenzl, Phys. Rev. Lett. 133, 231001 (2024).
- S. Mashchenko, H. M. P. Couchman, and J. Wadsley, Nature (London) 442, 539 (2006).
- A. M. Brooks, M. Kuhlen, A. Zolotov, and D. Hooper, Astrophys. J. 765, 22 (2013).
- A. Fattahi, J. F. Navarro, T. Sawala, C. S. Frenk, L. V. Sales, K. Oman, M. Schaller, and J. Wang, arXiv:1607.06479.
- A. Pontzen and F. Governato, Nature (London) 506, 171 (2014).
- M. P. van Daalen, J. Schaye, C. M. Booth, and C. Dalla Vecchia, Mon. Not. R. Astron. Soc. 415, 3649 (2011).
- V. Springel, R. Pakmor, A. Pillepich, R. Weinberger, D. Nelson, L. Hernquist, M. Vogelsberger, S. Genel, P. Torrey, F. Marinacci et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 475, 676 (2018).
- N. E. Chisari, A. J. Mead, S. Joudaki, P. G. Ferreira, A. Schneider, J. Mohr, T. Tröster, D. Alonso, I. G. McCarthy, S. Martin-Alvarez et al., Open J. Astrophys. 2, 4 (2019).
- K.-Y. Su and P. Chen, J. Cosmol. Astropart. Phys. 08 (2011) 016.
- L. Wang, V. Gonzalez-Perez, L. Xie, A. P. Cooper, C. S. Frenk, L. Gao, W. A. Hellwing, J. Helly, M. R. Lovell, and L. Jiang, Mon. Not. R. Astron. Soc. 468, 4579 (2017).
- M. R. Lovell, V. Gonzalez-Perez, S. Bose, A. Boyarsky, S. Cole, C. S. Frenk, and O. Ruchayskiy, Mon. Not. R. Astron. Soc. 468, 2836 (2017).
- J. Liu, S. Bird, J. M. Zorrilla Matilla, J. C. Hill, Z. Haiman, M. S. Madhavacheril, A. Petri, and D. N. Spergel, J. Cosmol. Astropart. Phys. 03 (2018) 049.
- E. O. Nadler, D. Yang, and H.-B. Yu, Astrophys. J. Lett. 958, L39 (2023).
- A. Laguë, B. Schwabe, R. Hložek, D. J. E. Marsh, and K. K. Rogers, Phys. Rev. D 109, 043507 (2024).
- K. K. Rogers and V. Poulin, Phys. Rev. Res. 7, L012018 (2025).
- M. P. van Daalen, J. Schaye, C. M. Booth, and C. Dalla Vecchia, Mon. Not. R. Astron. Soc. 415, 3649 (2011).
- T. Naab and J. P. Ostriker, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 55, 59 (2017).
- M. Vogelsberger, F. Marinacci, P. Torrey, and E. Puchwein, Nat. Rev. Phys. 2, 42 (2020).
- I. Medlock, C. Neufeld, D. Nagai, D. Anglés-Alcázar, S. Genel, B. D. Oppenheimer, X. Sims, P. Singh, and F. Villaescusa-Navarro, Astrophys. J. 980, 61 (2025).
- L. Bigwood, M. A. Bourne, V. Irsic, A. Amon, and D. Sijacki, arXiv:2501.16983.
- D. Lyapustin, arXiv:1112.1167.
- A. Boyarsky, M. Drewes, T. Lasserre, S. Mertens, and O. Ruchayskiy, Prog. Part. Nucl. Phys. 104, 1 (2019).
- S. Dodelson and L. M. Widrow, Phys. Rev. Lett. 72, 17 (1994).
- G. R. Blumenthal, H. Pagels, and J. R. Primack, Nature (London) 299, 37 (1982).
- P. J. E. Peebles, Astrophys. J. Lett. 263, L1 (1982).
- J. R. Bond, A. S. Szalay, and M. S. Turner, Phys. Rev. Lett. 48, 1636 (1982).
- V. Iršič, M. Viel, M. G. Haehnelt, J. S. Bolton, M. Molaro, E. Puchwein, E. Boera, G. D. Becker, P. Gaikwad, L. C. Keating et al., Phys. Rev. D 109, 043511 (2024).
- M. Davis, F. J. Summers, and D. Schlegel, Nature (London) 359, 393 (1992).
- A. N. Taylor and M. Rowan-Robinson, Nature (London) 359, 396 (1992).
- A. van Dalen and R. K. Schaefer, Astrophys. J. 398, 33 (1992).
- A. Klypin, J. Holtzman, J. Primack, and E. Regos, Astrophys. J. 416, 1 (1993).
- X. Shi and G. M. Fuller, Phys. Rev. Lett. 82, 2832 (1999).
- A. Boyarsky, J. Lesgourgues, O. Ruchayskiy, and M. Viel, J. Cosmol. Astropart. Phys. 05 (2009) 012.
- M. Shaposhnikov and I. Tkachev, Phys. Lett. B 639, 414 (2006).
- R. A. C. Croft, D. H. Weinberg, M. Bolte, S. Burles, L. Hernquist, N. Katz, D. Kirkman, and D. Tytler, Astrophys. J. 581, 20 (2002).
- P. McDonald, U. Seljak, R. Cen, D. Shih, D. H. Weinberg, S. Burles, D. P. Schneider, D. J. Schlegel, N. A. Bahcall, J. W. Briggs et al., Astrophys. J. 635, 761 (2005).
- A. Lidz, C.-A. Faucher-Giguère, A. Dall’Aglio, M. McQuinn, C. Fechner, M. Zaldarriaga, L. Hernquist, and S. Dutta, Astrophys. J. 718, 199 (2010).
- M. Viel, G. D. Becker, J. S. Bolton, and M. G. Haehnelt, Phys. Rev. D 88, 043502 (2013).
- V. Iršič, M. Viel, M. G. Haehnelt, J. S. Bolton, S. Cristiani, G. D. Becker, V. D’Odorico, G. Cupani, T.-S. Kim, T. A. M. Berg et al., arXiv:1702.01764.
- V. Iršič, M. Viel, M. G. Haehnelt, J. S. Bolton, and G. D. Becker, Phys. Rev. Lett. 119, 031302 (2017).
- N. Palanque-Delabrouille, C. Yèche, N. Schöneberg, J. Lesgourgues, M. Walther, S. Chabanier, and E. Armengaud, J. Cosmol. Astropart. Phys. 04 (2020) 038.
- A. Garzilli, A. Magalich, O. Ruchayskiy, and A. Boyarsky, Mon. Not. R. Astron. Soc. 502, 2356 (2021).
- K. K. Rogers and H. V. Peiris, Phys. Rev. Lett. 126, 071302 (2021).
- A. Slosar, A. Font-Ribera, M. M. Pieri, J. Rich, J.-M. Le Goff, É. Aubourg, J. Brinkmann, N. Busca, B. Carithers, R. Charlassier et al., J. Cosmol. Astropart. Phys. 09 (2011) 001.
- A. Slosar, V. Iršič, D. Kirkby, S. Bailey, N. G. Busca, T. Delubac, J. Rich, É. Aubourg, J. E. Bautista, V. Bhardwaj et al., J. Cosmol. Astropart. Phys. 04 (2013) 026.
- N. G. Busca, T. Delubac, J. Rich, S. Bailey, A. Font-Ribera, D. Kirkby, J. M. Le Goff, M. M. Pieri, A. Slosar, É. Aubourg et al., Astron. Astrophys. 552, A96 (2013).
- H. du Mas des Bourboux, J. Rich, A. Font-Ribera, V. de Sainte Agathe, J. Farr, T. Etourneau, J.-M. Le Goff, A. Cuceu, C. Balland, J. E. Bautista et al., Astrophys. J. 901, 153 (2020).
- A. G. Adame, J. Aguilar, S. Ahlen, S. Alam, D. M. Alexander, M. Alvarez, O. Alves, A. Anand, U. Andrade, E. Armengaud et al., J. Cosmol. Astropart. Phys. 01 (2025) 124.
- M. Abdul-Karim, J. Aguilar, S. Ahlen, C. Allende Prieto, O. Alves, A. Anand, U. Andrade, E. Armengaud, A. Aviles et al. (DESI Collaboration), arXiv:2503.14739.
- E. Boera, G. D. Becker, J. S. Bolton, and F. Nasir, Astrophys. J. 872, 101 (2019).
- B. Villasenor, B. Robertson, P. Madau, and E. Schneider, Phys. Rev. D 108, 023502 (2023).
- M. Viel, J. S. Bolton, and M. G. Haehnelt, Mon. Not. R. Astron. Soc. 399, L39 (2009).
- M. Viel, G. D. Becker, J. S. Bolton, and M. G. Haehnelt, Phys. Rev. D 88, 043502 (2013).
- C. Yèche, N. Palanque-Delabrouille, J. Baur, and H. du Mas des Bourboux, J. Cosmol. Astropart. Phys. 06 (2017) 047.
- M. Molaro, V. Iršič, J. S. Bolton, L. C. Keating, E. Puchwein, P. Gaikwad, M. G. Haehnelt, G. Kulkarni, and M. Viel, Mon. Not. R. Astron. Soc. 509, 6119 (2022).
- S. Bird, K. K. Rogers, H. V. Peiris, L. Verde, A. Font-Ribera, and A. Pontzen, J. Cosmol. Astropart. Phys. 02 (2019) 050.
- M. Walther, J. Oñorbe, J. F. Hennawi, and Z. Lukić, Astrophys. J. 872, 13 (2019).
- K. K. Rogers, H. V. Peiris, A. Pontzen, S. Bird, L. Verde, and A. Font-Ribera, J. Cosmol. Astropart. Phys. 02 (2019) 031.
- M. Walther, E. Armengaud, C. Ravoux, N. Palanque-Delabrouille, C. Yèche, and Z. Lukić, J. Cosmol. Astropart. Phys. 04 (2021) 059.
- M. A. Fernandez, M.-F. Ho, and S. Bird, Mon. Not. R. Astron. Soc. 517, 3200 (2022).
- S. Bird, M. Fernandez, M.-F. Ho, M. Qezlou, R. Monadi, Y. Ni, N. Chen, R. Croft, and T. Di Matteo, J. Cosmol. Astropart. Phys. 10 (2023) 037.
- L. Cabayol-Garcia, J. Chaves-Montero, A. Font-Ribera, and C. Pedersen, Mon. Not. R. Astron. Soc. 525, 3499 (2023).
- M. Molaro, V. Iršič, J. S. Bolton, M. Lieu, L. C. Keating, E. Puchwein, M. G. Haehnelt, and M. Viel, Mon. Not. R. Astron. Soc. 521, 1489 (2023).
- J. Baur, N. Palanque-Delabrouille, C. Yèche, A. Boyarsky, O. Ruchayskiy, É. Armengaud, and J. Lesgourgues, J. Cosmol. Astropart. Phys. 12 (2017) 013.
- A. Palazzo, D. Cumberbatch, A. Slosar, and J. Silk, Phys. Rev. D 76, 103511 (2007).
- R. Diamanti, S. Ando, S. Gariazzo, O. Mena, and C. Weniger, J. Cosmol. Astropart. Phys. 06 (2017) 008.
- G. Parimbelli, G. Scelfo, S. K. Giri, A. Schneider, M. Archidiacono, S. Camera, and M. Viel, J. Cosmol. Astropart. Phys. 12 (2021) 044.
- The 1D Lyman- clustering is sensitive only to line-of-sight Fourier modes . For the sake of simplicity we adopt a shorthand notation of in velocity units to denote wave numbers along the line-of-sight.
- N. Palanque-Delabrouille, C. Yèche, J. Baur, C. Magneville, G. Rossi, J. Lesgourgues, A. Borde, E. Burtin, J.-M. LeGoff, J. Rich et al., J. Cosmol. Astropart. Phys. 11 (2015) 011.
- V. Iršič, M. Viel, T. A. M. Berg, V. D’Odorico, M. G. Haehnelt, S. Cristiani, G. Cupani, T.-S. Kim, S. López, S. Ellison et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 466, 4332 (2017).
- M. Viel, J. Schaye, and C. M. Booth, Mon. Not. R. Astron. Soc. 429, 1734 (2013).
- A. Day, D. Tytler, and B. Kambalur, Mon. Not. R. Astron. Soc. 489, 2536 (2019).
- N. G. Karaçayl𝚤, N. Padmanabhan, A. Font-Ribera, V. Iršič, M. Walther, D. Brooks, E. Gaztañaga, R. Kehoe, M. Levi, P. Ntelis et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 509, 2842 (2022).
- E. Puchwein, F. Haardt, M. G. Haehnelt, and P. Madau, Mon. Not. R. Astron. Soc. 485, 47 (2019).
- E. Puchwein, J. S. Bolton, L. C. Keating, M. Molaro, P. Gaikwad, G. Kulkarni, M. G. Haehnelt, V. Iršič, T. Šoltinský, M. Viel et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 519, 6162 (2023).
- A. Lewis and A. Challinor, Astrophys. J. 538, 473 (2000).
- D. Blas, J. Lesgourgues, and T. Tram, J. Cosmol. Astropart. Phys. 07 (2011) 034.
- M. Viel, J. Lesgourgues, M. G. Haehnelt, S. Matarrese, and A. Riotto, Phys. Rev. D 71, 063534 (2005).
- P. Bode, J. P. Ostriker, and N. Turok, Astrophys. J. 556, 93 (2001).
- M. Viel, G. D. Becker, J. S. Bolton, and M. G. Haehnelt, Phys. Rev. D 88, 043502 (2013).
- J. Lesgourgues and T. Tram, J. Cosmol. Astropart. Phys. 09 (2011) 032.
- G. D. Becker, P. C. Hewett, G. Worseck, and J. X. Prochaska, Mon. Not. R. Astron. Soc. 430, 2067 (2013).
- S. E. I. Bosman, X. Fan, L. Jiang, S. Reed, Y. Matsuoka, G. Becker, and M. Haehnelt, Mon. Not. R. Astron. Soc. 479, 1055 (2018).
- S. E. I. Bosman, F. B. Davies, G. D. Becker, L. C. Keating, R. L. Davies, Y. Zhu, A.-C. Eilers, V. D’Odorico, F. Bian, M. Bischetti et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 514, 55 (2022).
- A. Borde, N. Palanque-Delabrouille, G. Rossi, M. Viel, J. S. Bolton, C. Yèche, J.-M. LeGoff, and J. Rich, J. Cosmol. Astropart. Phys. 07 (2014) 005.
- B. Villasenor, B. Robertson, P. Madau, and E. Schneider, Astrophys. J. 912, 138 (2021).
- C. C. Doughty, J. F. Hennawi, F. B. Davies, Z. Lukić, and J. Oñorbe, Mon. Not. R. Astron. Soc. 525, 3790 (2023).
- P. McDonald, Astrophys. J. 585, 34 (2003).
- J. S. Bolton, E. Puchwein, D. Sijacki, M. G. Haehnelt, T.-S. Kim, A. Meiksin, J. A. Regan, and M. Viel, Mon. Not. R. Astron. Soc. 464, 897 (2017).
- N. K. Khan, G. Kulkarni, J. S. Bolton, M. G. Haehnelt, V. Iršič, E. Puchwein, and S. Asthana, Mon. Not. R. Astron. Soc. 530, 4920 (2024).
- J. Torrado and A. Lewis, cobaya: Bayesian analysis in cosmology (2019), https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ascl.soft10019T.
- B. Villasenor, B. Robertson, P. Madau, and E. Schneider, Phys. Rev. D 108, 023502 (2023).
- P. Gaikwad, M. Rauch, M. G. Haehnelt, E. Puchwein, J. S. Bolton, L. C. Keating, G. Kulkarni, V. Iršič, E. Bañados, G. D. Becker et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 494, 5091 (2020).
- P. Gaikwad, R. Srianand, M. G. Haehnelt, and T. R. Choudhury, Mon. Not. R. Astron. Soc. 506, 4389 (2021).
- N. Aghanim, Y. Akrami, M. Ashdown, J. Aumont, C. Baccigalupi, M. Ballardini, A. J. Banday, R. B. Barreiro, N. Bartolo et al. (Planck Collaboration), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020).
- E. Puchwein, F. Haardt, M. G. Haehnelt, and P. Madau, Mon. Not. R. Astron. Soc. 485, 47 (2019).
- V. Iršič, M. Viel, M. G. Haehnelt, J. S. Bolton, S. Cristiani, G. D. Becker, V. D’Odorico, G. Cupani, T.-S. Kim, T. A. M. Berg et al., Phys. Rev. D 96, 023522 (2017).
- M. Molaro, V. Iršič, J. S. Bolton, L. C. Keating, E. Puchwein, P. Gaikwad, M. G. Haehnelt, G. Kulkarni, and M. Viel, Mon. Not. R. Astron. Soc. 509, 6119 (2022).
- S. Zelmer, E. Artis, E. Bulbul, S. Grandis, V. Ghirardini, A. von der Linden, Y. E. Bahar, F. Balzer, M. Brüggen, I. Chiu et al., arXiv:2502.03353.
- E. Calabrese, J. C. Hill, H. T. Jense, A. La Posta, I. Abril-Cabezas, G. E. Addison, P. A. R. Ade, S. Aiola, T. Alford, D. Alonso et al., arXiv:2503.14454.
- T. Kobayashi, R. Murgia, A. De Simone, V. Iršič, and M. Viel, Phys. Rev. D 96, 123514 (2017).
- G. Facchinetti, arXiv:2503.11261.
- A.-C. Eilers, F. B. Davies, and J. F. Hennawi, Astrophys. J. 864, 53 (2018).
- M. Archidiacono, D. C. Hooper, R. Murgia, S. Bohr, J. Lesgourgues, and M. Viel, J. Cosmol. Astropart. Phys. 10 (2019) 055.
- D. C. Hooper, N. Schöneberg, R. Murgia, M. Archidiacono, J. Lesgourgues, and M. Viel, J. Cosmol. Astropart. Phys. 10 (2022) 032.
- R. Murgia, V. Iršič, and M. Viel, Phys. Rev. D 98, 083540 (2018).
- M. Esposito, V. Iršič, M. Costanzi, S. Borgani, A. Saro, and M. Viel, Mon. Not. R. Astron. Soc. 515, 857 (2022).
- F. Hervas Peters, A. Schneider, J. Bucko, S. K. Giri, and G. Parimbelli, Astron. Astrophys. 687, A161 (2024).
- https://www.dirac.ac.uk