[논문 리뷰] Detectability of CMB Weak Lensing and HI Cross Correlation and constraints on cosmological parameters

Shoichiro Tanaka, Shintaro Yoshiura외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 23.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 5인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 SKA1-mid 단일 설비 모드에서의 21 cm 강도 매핑과 Planck에서의 CMB 약한 렌즈링 수렴 지도를 교차상관시켜 대규모 구조의 교차 스펙트럼을 검출하고 우주론적 파rameter를 제약하는 것을 제안한다. 1개 밴드당 1,000시간의 관측으로 $\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ 는 $0.0 < z < 2.0$ 범위에서 6–13% 정밀도로 제약 가능하며, CMB 렌즈링 해상도가 제한되어 있어 간섭계 모드는 유의미한 향상 없이 제공된다.

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

연구 동기 및 목표

• 21 cm 강도 매핑과 CMB 약한 렌즈링 수렴 지도 간의 교차상관의 검출 가능성 평가
• 피셔 분석을 통해 우주론적 파rameter, 특히 $\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ 의 제약 평가
• 파라미터 제약에 있어 최적의 SKA1-mid 관측 모드(단일 설비 대비 간섭계) 결정
• 장비 노이즈와 설계 전략이 신호 검출 가능성에 끼치는 영향 평가
• CMB 렌즈링 교차상관을 H I 분포에 대한 외부 간섭에 민감하지 않은 탐사 수단으로서의 가능성 탐색

제안 방법

• SKA1-mid 단일 설비 모드에서의 21 cm 강도 지도와 Planck 온도 이방이성에서 복원된 CMB 수렴 지도 간의 교차상관
• 피셔 행렬 분석을 통해 $\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$, $\Omega_{\text{c}}h^2$, $n_s$, $H_0$ 의 제약 예측. 후자 세 개는 Planck 값으로 고정
• SKA1-mid(단일 설비 및 간섭계 모드)와 Planck 수렴 지도의 장비 노이즈 모델링
• 큰 스케일에서 H I와 다크 물질 변동 간 선형 비율 모델 $b$ 를 사용
• 다양한 다중극수 범위와 설계 구성에 대해 신호 대 잡음비(S/N) 계산을 통한 감도 추정
• 관측 시간 당 포인팅 및 설계 영역을 변화시켜 설계 전략의 영향 평가. 특히 간섭계 모드에서의 영향 분석

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SKA1-mid와 Planck 자료를 사용하여 21 cm-CMB 렌즈링 교차 스펙트럼을 검출할 수 있으며, 그 유의수준은 어느 정도인가?
• RQ2 이 교차상관 방법을 통해 $\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ 는 어느 정도 정밀도로 제약할 수 있는가?
• RQ3 Planck 수렴 지도의 해상도가 제한되어 있을 때, SKA1-mid 간섭계 모드가 단일 설비 모드보다 제약을 향상시키는가?
• RQ4 적분 시간 당 포인팅 및 설계 영역과 같은 관측 파rameter가 교차상관의 검출 가능성과 S/N에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 일정한 선형 비율 가정이 파라미터 제약에 미치는 영향은 어느 정도이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• SKA1-mid 단일 설비 모드와 Planck 수렴 지도를 사용하여, $\ell \lesssim 200$ 의 큰 스케일에서 총 신호 대 잡음비가 7 이상인 21 cm-CMB 렌즈링 교차 스펙트럼을 $0.0 < z < 2.0$ 범위에서 검출 가능하다.
• 밴드 1과 2 각각에 대해 1,000시간의 관측으로 $z = 0.5$ 와 $z = 1.5$ 에서 $\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ 는 6–13% 정밀도로 제약 가능하다.
• Planck 수렴 지도의 해상도가 제한되어 있어 SKA1-mid 간섭계 모드는 $\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ 의 제약에 유의미한 향상 없이 제공된다.
• 소규모 교차상관(예: $\ell \gtrsim 300$)은 간섭계 적립 1,000시간 동안 S/N $\sim O(1)$ 에 그치며, 이는 최소한의 검출 가능성에 해당한다.
• 대부분의 우주론적 정보는 밴드 1의 1,000시간 단일 설비 모드 관측에서 유래하며, 밴드 2와 간섭계 모드는 거의 기여하지 않는다.
• 일정한 선형 비율 모델 가정 하에 결과는 안정적이며, 이는 큰 스케일에서 타당하며, 향후 고해상도 CMB 렌즈링 지도가 소규모 제약을 향상시킬 수 있음을 시사한다.