[論文レビュー] Detectability of CMB Weak Lensing and HI Cross Correlation and constraints on cosmological parameters

Shoichiro Tanaka, Shintaro Yoshiura+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、SKA1-midの単一アンテナモードによる21 cm強度マッピングと、PlanckのCMB弱レントゲン収束マップを用いて、大スケールのクロスパワー スペクトルを検出するとともに、宇宙論的パラメータを制約する手法を提案している。1バンドあたり1,000時間の観測条件下で、$0.0 < z < 2.0$ の赤方偏移領域において $\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ を6–13%の精度で制約できることが判明した。一方、干渉計モードではCMBレントゲンの分解能が限られているため、性能向上は顕著でない。

ABSTRACT

Neutral hydrogen (H$_{ m I}$) intensity mapping is capable of measuring redshift evolution of H$_{ m I}$ density parameter $Ω_{ m H_{ m I}}$, which is an important parameter to understand structure formation in the post-reionization epoch. Future H$_{ m I}$ observation with Square Kilometre Array (SKA) can significantly improve constraints on the parameter. However, the observation of H$_{ m I}$ suffers from the contamination from extremely bright foreground emissions, and it is necessary to consider a signal validation method complementary to the measurement of H$_{ m I}$ auto power spectrum. In this work, we propose to take a cross correlation between a 21cm-line intensity map and a convergence map reconstructed from observation of the cosmic microwave background by Planck and estimate expected ideal constraints on cosmological parametersby ignoring the foreground contamination. We find that the SKA1-mid operated in single-dish mode has a sufficient capability to detect the cross correlation on the large scales. Further, by Fisher analysis assuming a constant linear bias of H$_{ m I}$, $b$, and SKA1-mid observation of 1,000 hours for each of Band 1 and 2, we show that $Ω_{ m H_{ m I}} b$ can be constrained with a precision of $6-13\%$ at a wide range of redshifts of $0.0

研究の動機と目的

• 21 cm強度マッピングとCMB弱レントゲン収束マップの間のクロス相関の検出可能性を評価すること。
• フィッシャー解析を用いて、特に $\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ における宇宙論的パラメータの制約を評価すること。
• パラメータ制約において最適なSKA1-midの観測モード（単一アンテナ対干渉計）を特定すること。
• 機器ノイズおよび調査戦略が信号検出可能性に与える影響を調査すること。
• CMBレントゲンクロス相関をH I分布のフォアグラウンドに依存しないプローブとして使用可能かどうかを検討すること。

提案手法

• SKA1-midの単一アンテナモードによる21 cm強度マップと、Planckの温度非均一性から再構築されたCMB収束マップのクロス相関。
• フィッシャー行列解析を用いて、$\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$、$\Omega_{\text{c}}h^2$、$n_s$、$H_0$ の制約を予測し、後述の3つのパラメータはPlanckの値に固定。
• SKA1-mid（単一アンテナおよび干渉計モード）およびPlanck収束マップの機器ノイズのモデル化。
• 大スケールにおいてH Iとダークマターのフラクチュエーションの間で定数線形バイアス $b$ を仮定。
• 異なる多重極範囲および調査設定における信号対雑音比（S/N）の計算により感度推定。
• 干渉計モードにおける観測時間/ポイントおよび調査領域の変更による調査戦略の影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKA1-midとPlanckデータを用いて、21 cm-CMBレントゲンクロスパワー スペクトルを検出可能か。その有意水準は？
• RQ2 このクロス相関手法を用いることで、$\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ の制約精度はどの程度達成可能か？
• RQ3 Planckの収束マップの分解能を考慮すると、SKA1-midの干渉計モードは単一アンテナモードに比べてパラメータ制約を改善するか？
• RQ4 積分時間/ポイントおよび調査領域といった観測パラメータが、クロス相関の検出可能性およびS/Nに与える影響は？
• RQ5 定数線形バイアスの仮定がパラメータ制約に与える影響はどの程度か。また、その影響を軽減する方法は？

主な発見

• SKA1-midの単一アンテナモードとPlanck収束マップを用いることで、$\ell \lesssim 200$ の大スケール領域（$0.0 < z < 2.0$）において、合計でS/Nが7を超えるクロスパワー スペクトルが検出可能である。
• バンド1およびバンド2で1,000時間の観測を実施した場合、$z = 0.5$ および $z = 1.5$ における $\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ の制約精度は6–13%に達する。
• Planck収束マップの角分解能が限られているため、SKA1-midの干渉計モードでは $\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ の制約が顕著に向上しない。
• 小スケールクロス相関（例：$\ell \gtrsim 300$）では、干渉計モードの1,000時間積分でもS/Nが $O(1)$ にとどまり、検出可能性は極めて低い。
• 宇宙論的情報の大部分は、バンド1の1,000時間の単一アンテナモード観測に起因し、バンド2および干渉計モードの寄与は最小限である。
• 定数線形バイアスモデルの仮定のもとでも結果は安定しており、これは大スケールで有効である。今後の高分解能CMBレントゲンマップの利用により、小スケールの制約が向上する可能性がある。