[論文レビュー] Forecasts on Interacting Dark Energy from 21-cm Angular Power Spectrum with BINGO and SKA observations

Linfeng Xiao, André A. Costa+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 92被引用数 17

ひとこと要約

本稿は、近い将来のBINGOおよびSKA HI強度マッピング調査から得られる21cm角スペクトルを用いて、相互作用型ダークエネルギー（IDE）の制約を予測し、ダークエネルギーの相互作用に起因する新たな明るさ温度の寄与を導出している。SKA1-MID Band 1 + Planckは、後期宇宙のパラメータに関してPlanck 2018を上回り、ダークエネルギー状態方程式𝑤の不確実性を約0.34%まで抑えることが可能である。フォアグラウンド残留項やΩHI(𝑧)の不確実性といった系統誤差は精度に顕著な影響を及ぼすが、高度なキャリブレーションにより管理可能である。

ABSTRACT

Neutral hydrogen (HI) intensity mapping is a promising technique to probe the large-scale structure of the Universe, improving our understanding on the late-time accelerated expansion. In this work, we first scrutinize how an alternative cosmology, interacting dark energy (IDE), can affect the 21-cm angular power spectrum relative to the concordance $\Lambda$CDM model. We re-derive the 21-cm brightness temperature fluctuation in the context of such interaction and uncover an extra new contribution. Then we estimate the noise level of three upcoming HI intensity mapping surveys, BINGO, SKA1-MID Band$\,$1 and Band$\,$2, respectively, and employ a Fisher matrix approach to forecast their constraints on the IDE model. We find that while $ extit{Planck}\,$ 2018 maintains its dominion over early-Universe parameter constraints, BINGO and SKA1-MID Band$\,$2 put complementary bounding to the latest CMB measurements on dark energy equation of state $w$, the interacting strength $\lambda_i$ and the reduced Hubble constant $h$, and SKA1-MID Band$\,$1 even outperforms $ extit{Planck}\,$ 2018 in these late-Universe parameter constraints. The expected minimum uncertainties are given by SKA1-MID Band$\,$1+$ extit{Planck}\,$: $\sim 0.34\%$ on $w$, $\sim 0.22\%$ on $h$, $\sim 0.64\%$ on HI bias $b_{ m HI}$, and an absolute uncertainty of about $3 imes10^{-4}$ ($7 imes10^{-4}$) on $\lambda_{1}$ ($\lambda_{2}$). Moreover, we quantify the effects from systematics of the redshift bin number, redshift-space distortions, foreground residuals and uncertainties on the measured HI fraction, $\Omega_{\mathrm{HI}}(z)$. Our results indicate a bright prospect for HI intensity mapping surveys in constraining IDE, whether on their own or further by synergies with other measurements.

研究の動機と目的

• 相互作用型ダークエネルギー（IDE）がΛCDMモデルと比較して21cm角スペクトルに与える影響を調査すること。
• BINGO、SKA1-MID Band 1、Band 2といった近い将来のHI強度マッピング調査を用いて、IDEのパラメータ制約を予測すること。
• フォアグラウンド残留項、赤方偏移空間歪み、およびHI割合ΩHI(𝑧)の不確実性といった系統誤差がパラメータ制約に与える影響を評価すること。
• HI強度マッピングとPlanck 2018 CMBデータの相乗効果が、後期宇宙の宇宙論的制約をどのように向上させるかを定量化すること。

提案手法

• 相互作用型ダークエネルギーの文脈において21cm明るさ温度揺らぎを再導出し、相互作用項に起因する新たな物理的寄与を明らかにした。
• 現実的な観測設定と系統誤差モデルを用いて、BINGO、SKA1-MID Band 1、Band 2の各調査の固有ノイズレベルを推定した。
• フィッシャー行列法を用いて、異なるIDEモデル下での𝑤、ℎ、𝜆𝑖、𝑏HI、ΩHI(𝑧)のパラメータ不確実性を予測した。
• フォアグラウンド残留項を効率パラメータ𝜖FGを用いてガウス分布としてモデル化し、制約力の低下を評価した。
• 時間に依存するHI割合ΩHI(𝑧) = 𝐴(1+𝑧)𝛾を自由パラメータとしてモデル化し、ℎおよび𝑏HIとのデゲネラシーを検討した。
• 複数の調査とPlanck 2018の事前分布を組み合わせ、相乗的制約を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークエネルギーとダークマターの相互作用が、標準的なΛCDMモデルを逸脱して21cm角スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 フィッシャー行列予測を用いて、BINGOおよびSKA1-MID調査から得られるIDEパラメータ（𝑤、ℎ、𝜆𝑖、𝑏HI）の予想される制約は何か？
• RQ3 フォアグラウンド残留項（𝜖FG）、赤方偏移空間歪み、およびΩHI(𝑧)の不確実性といった系統誤差がパラメータ制約をどの程度劣化させるか？
• RQ4 SKA1-MIDのようなHI強度マッピング調査が、特に𝑤とℎの制約に関して、Planck 2018を上回る可能性はあるか？
• RQ5 ΩHI(𝑧)を時間に依存する関数𝐴(1+𝑧)𝛾としてモデル化した場合、ダークエネルギーおよびバイアスパラメータ推定の精度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• SKA1-MID Band 1 + Planckは、ダークエネルギー状態方程式𝑤の1σ不確実性を約0.34%まで予測しており、後期宇宙のパラメータに関してPlanck 2018を上回る。
• SKA1-MID Band 1 + Planckを用いた場合、縮小されたハッブル定数ℎの最小不確実性は約0.22%と予測され、宇宙膨張の高精度測定が可能であることを示している。
• 相互作用強度𝜆1の絶対不確実性は約3×10−4、𝜆2は約7×10−4と推定され、IDE結合に対する高い感度が示された。
• フォアグラウンド残留項の効率𝜖FG ≲10−2ではパラメータ制約が10%以内に劣化し、ほぼ完全なフォアグラウンド除去に近づくには𝜖FG ≲10−5の閾値が必要である。
• ΩHI(𝑧) = 𝐴(1+𝑧)𝛾としてモデル化すると、ℎおよび𝑏HIの制約が最も劣化し、ℎの不確実性は基準ケースと比較して最大で約3.8倍にまで増加する。
• Planck 2018との連携により、SKA1-MIDはΩHIを約1.5%の精度で測定可能であり、𝐴および𝛾の制約はそれぞれ約0.46%および約0.83%にまで達する。時間発展を考慮しても依然として高い精度を維持する。