[論文レビュー] Minimum size of cosmological 21-cm simulations

Harman Deep Kaur, Nicolas Gillet+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2020

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

ひとこと要約

本研究は、宇宙の夜明けおよび再電離期（EoR）のパワー スペクトル（PS）を正確にモデル化するための最小ボックス サイズを特定する。さまざまなボックス サイズで複数の実現を用いて解析した結果、250 Mpc のボックスが全ノイズの1シグマ以内に収束するのに必要であり、PS 評価のバイアスと散らばりを低減する。特に、CD 時代のシミュレーションでは、200–300 Mpc のボックスが平均して大規模なパワーを約7–9%低く見積もる。

ABSTRACT

By mapping the large-scale thermal and ionization stucture of the intergalactic medium (IGM), cosmic 21-cm interferometry is set to revolutionize our understanding of the Epoch of Reionization (EoR) and the Cosmic Dawn (CD). However, interpreting upcoming observations relies on our ability to accurately model early galaxies and their cosmic radiation fields which drive the signal. The first galaxies are likely very rare and biased, with their abundances modulated by long wavelength modes of the density field. Moreover, the radiation fields from these galaxies interact with the IGM over a large range of scales. Therefore, the limited volume of 21-cm simulations can underestimate the amount of structure in the signal. In this work we quantify the minimum box size for simulating the power spectrum (PS) of the cosmic 21-cm signal. We perform multiple realizations of the initial conditions, for a range of box sizes. We quantify convergence with respect to a mock observation of box length 1.1 Gpc, with thermal noise computed for a 1000h observation with SKA1-low. We find that simulations of box lengths 200-300 Mpc typically do not show a bias in the PS during the EoR; however, they do tend to underestimate the large-scale power during the earlier epoch of CD by ~7-9 % on average. The absolute error on the PS from small-box realizations goes up to ~7 mK^2, or analogously up to ~4 sigma of the total noise. As expected, this bias and scatter between different realizations decreases with increasing box size. We conclude that box lengths of 250 Mpc are needed to converge at the level of <~1 sigma of the total noise.

研究の動機と目的

• 宇宙の夜明けおよび再電離期（EoR）におけるパワー スペクトル（PS）推定の収束に必要な最小ボックス サイズを定量化すること。
• 特に、長波長の密度場モードがまれでバイアスの高い初期銀河を変調することによって、限られたシミュレーション体積が PS に及ぼすバイアスを評価すること。
• ボックス サイズが、SKA1-low の感度を想定した 1.1 Gpc のモック観測と比較して、PS の散らばりとバイアスに与える影響を評価すること。
• 1000 時間の SKA1-low 観測における全熱的ノイズの 1 シグマ未塔の PS エラーが達成されるシミュレーション体積の閾値を特定すること。これにより、近い将来の観測の信頼性ある解釈が可能になる。

提案手法

• 1.1 Gpc から小さいサイズまでのボックス サイズの範囲で、初期条件の複数の実現を実行し、21-cm シグナルの統計的変動をサンプリングする。
• 各実現における 21-cm シグナルのパワー スペクトル（PS）を計算し、異なる体積での収束性と散らばりを評価する。
• SKA1-low の感度を想定した 1.1 Gpc ボックスと 1000 時間の積分時間を持つモック観測を用い、ターゲットの信号対ノイズ比とノイズ バジェットを定義する。
• 200–300 Mpc のボックスにおける大規模なパワー推定のバイアスと散らばりを、1.1 Gpc の基準と比較して、特に宇宙の夜明けおよび EoR 時代の高スケールパワーに注目して定量する。
• 統計的比較を用いて、PS エラーが全熱的ノイズの 1 シグマ未塔に低下するタイミングを特定する。これにより収束が十分であると判断できる。
• 長波長の密度モードが、スケール全体にわたる初期銀河の存在頻度と放射場の分布に与える影響を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 21-cm シミュレーションにおける、宇宙の夜明けおよび再電離期にパワー スペクトルが収束するための最小ボックス サイズは何か？
• RQ2 小さなシミュレーション ボックスでは、特に宇宙の夜明け時に、21-cm シグナルの大規模なパワーがどの程度低く見積もられるか？
• RQ3 小さなボックスにおける初期条件の異なる実現が、パワー スペクトルに引き起こす散らばりはどの程度で、これはボックス サイズにどのように依存するか？
• RQ4 1000 時間の SKA1-low 観測において、パワー スペクトルのエラーが全熱的ノイズの 1 シグマ未塔に低下するのはどのボックス サイズか？
• RQ5 小さな体積のシミュレーションにおいて、パワー スペクトルのバイアスは、宇宙の夜明けと再電離期の間でどのように異なるか？

主な発見

• 200–300 Mpc のボックスを用いたシミュレーションでは、再電離期（EoR）におけるパワー スペクトルに顕著なバイアスは認められない。
• より前の宇宙の夜明け時代では、200–300 Mpc のボックスが大規模なパワーを平均して 7–9% 低く見積もる。
• 小さなボックスからのパワー スペクトルの絶対誤差は最大で約 7 mK² に達し、1000 時間の SKA1-low 観測における全熱的ノイズの約 4 シグマに相当する。
• バイアスと散らばりはボックス サイズが大きくなるにつれて減少し、統計的収束性が向上することが示された。
• 全ノイズの <1 シグマ以内に収束させるには、250 Mpc のボックス サイズが必要である。これにより、近い将来の観測の信頼性ある解釈が可能になる。
• 本研究は、長波長の密度モードによる体積効果が、特に初期の宇宙時代において信号構造に顕著な影響を与えることを確認した。