[論文レビュー] Detection of Cosmological 21 cm Emission with the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment

CHIME Collaboration, M. Amiri+31 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Ionosphere and magnetosphere dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、カナダ水素強度マッピング実験（CHIME）を用いて、eBOSS調査からの明るい赤い銀河（LRG）、発光線銀河（ELG）、およびクェーサーの位置に合わせた電波マップのスタッキングを用いて、大規模構造からの宇宙論的21 cm放射の最初の干渉計による検出を報告する。クェーサーでは11.1σの有意水準に達し、z ≈ 1.2における中性水素の有効クラスタリング振幅（AHI）の制約が得られ、これはこれまでで最も高い赤方偏移での21 cm強度マッピング測定である。

ABSTRACT

We present a detection of 21-cm emission from large-scale structure (LSS) between redshift 0.78 and 1.43 made with the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME). Radio observations acquired over 102 nights are used to construct maps which are foreground filtered and stacked on the angular and spectral locations of luminous red galaxies (LRG), emission line galaxies (ELG), and quasars (QSO) from the eBOSS clustering catalogs. We find decisive evidence for a detection when stacking on all three tracers of LSS, with the logarithm of the Bayes Factor equal to 18.9 (LRG), 10.8 (ELG), and 56.3 (QSO). An alternative frequentist interpretation, based on the likelihood-ratio test, yields a detection significance of $7.1σ$ (LRG), $5.7σ$ (ELG), and $11.1σ$ (QSO). These are the first 21-cm intensity mapping measurements made with an interferometer. We constrain the effective clustering amplitude of neutral hydrogen (HI), defined as $\mathcal{A}_{ m HI}\equiv 10^{3}\,Ω_\mathrm{HI}\left(b_\mathrm{HI}+\langle\,fμ^{2} angle ight)$, where $Ω_\mathrm{HI}$ is the cosmic abundance of HI, $b_\mathrm{HI}$ is the linear bias of HI, and $\langle\,fμ^{2} angle=0.552$ encodes the effect of redshift-space distortions at linear order. We find $\mathcal{A}_\mathrm{HI}=1.51^{+3.60}_{-0.97}$ for LRGs $(z=0.84)$, $\mathcal{A}_\mathrm{HI}=6.76^{+9.04}_{-3.79}$ for ELGs $(z=0.96)$, and $\mathcal{A}_\mathrm{HI}=1.68^{+1.10}_{-0.67}$ for QSOs $(z=1.20)$, with constraints limited by modeling uncertainties at nonlinear scales. We are also sensitive to bias in the spectroscopic redshifts of each tracer, and find a non-zero bias $Δ\,v= -66 \pm 20 \mathrm{km/s}$ for the QSOs. We split the QSO catalog into three redshift bins and have a decisive detection in each, with the upper bin at $z=1.30$ producing the highest redshift 21-cm intensity mapping measurement thus far.

研究の動機と目的

• CHIMEの干渉計データを用いて、大規模構造からの宇宙論的21 cm放射を検出すること。
• 再電離以降の宇宙における中性水素の有効クラスタリング振幅（AHI）を測定すること。
• eBOSS調査の銀河トレーサーとのクロス相関を用いて、強度マッピングを宇宙論的プローブとして検証すること。
• データにおける系関連効果、例えば赤方偏移空間歪みや分光的赤方偏移バイアスを評価すること。
• 21 cm強度マッピングの赤方偏移範囲をz ≈ 1.30まで拡大し、高赤方偏移電波宇宙論の最前線を推し進める。

提案手法

• eBOSSクラスタリングカタログに記載された明るい赤い銀河（LRG）、発光線銀河（ELG）、およびクェーサー（QSO）の角度的および周波数的位置と、CHIMEの可視性データ102夜分のスタックされたクロス相関。
• スタッキングの前に、マルチスケール・マルチ周波数アプローチを用いて、銀河系および銀河間の前景を除去するためのフォアグラウンドフィルタリングを適用。
• ベイズフレームワークを用い、ベイズ因子（LRGではlog BF = 18.9、QSOでは56.3）と頻度主義の尤度比検定を併用して検出の有意水準を評価。
• 線形結合による21 cm信号のモデル化を実施し、線形バイアス（bHI）、赤方偏移空間歪み（⟨fµ²⟩）、およびショットノイズを含む。
• 遅延空間（τ）における転送関数を用いて、Fingers of God効果をモデル化し、シミュレーションとの比較により有効なスムージング幅σeffを推定。
• 残存する赤方偏移誤差（∆ν0）を補正するため、フーリエ空間での位相回転を適用し、銀河の赤方偏移とテンプレートの正確な整合を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CHIMEのような干渉計機器を用いて、大規模構造からの宇宙論的21 cm放射を検出できるか？
• RQ2 銀河トレーサーとのクロス相関から推定される、赤方偏移z ≈ 0.8–1.4における中性水素の有効クラスタリング振幅（AHI）はどの程度か？
• RQ3 赤方偏移空間歪みおよび分光的赤方偏移誤差は、21 cm強度マッピング信号およびその検出の有意水準にどのように影響を与えるか？
• RQ4 干渉計データを用いた21 cm強度マッピングが、これまでに成功裏に測定された最高の赤方偏移は何か？
• RQ5 広い赤方偏移範囲でのスタッキングにおいて、各パラメータの直接シミュレーションなしにFingers of God効果を効果的にモデル化できるか？

主な発見

• クェーサーでは、ベイズ因子が56.3（log BF）に達し、頻度主義フレームワークでは11.1σの有意水準に相当する、大規模構造からの21 cm放射の検出が確認された。
• クェーサーでは、z ≈ 1.20における中性水素の有効クラスタリング振幅がAHI = 1.68+1.10−0.67と測定され、非線形スケールのモデル化の不確実性が制約要因となった。
• 明るい赤い銀河（z ≈ 0.84）ではAHI = 1.51+3.60−0.97、発光線銀河（z ≈ 0.96）ではAHI = 6.76+9.04−3.79が得られた。
• クェーサーに対して非ゼロの分光的赤方偏移バイアス∆v = −66 ± 20 km/sが測定され、赤方偏移に系関連のオフセットが存在することが示唆された。
• 上側の赤方偏移ビン（z ≈ 1.30）で、これまでで最も高い赤方偏移での21 cm強度マッピング検出が達成され、3つの赤方偏移ビンすべてで決定的な検出が確認された。
• 遅延空間における有効なFingers of God転送関数は、赤方偏移依存のスメアリングを正確にモデル化できており、αFoG,x = 0から3の範囲で誤差が0.5%未満に抑えられ、テンプレート補正の信頼性が確保された。