[논문 리뷰] Detection of Cosmological 21 cm Emission with the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment

CHIME Collaboration, M. Amiri외 31명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 02.

Ionosphere and magnetosphere dynamics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 캐나다 수소 강도 매핑 실험(CHIME)을 사용하여 대규모 구조에서 온 우주 21 cm 복사의 처음으로 간섭계 검출를 보고한다. eBOSS 설문조사에서 유도된 밝은 빨간은하성, 발광선 은하, 활성은하핵(쿼라스)의 천체 위치를 기반으로 전파 맵을 스택하여 수행하였다. 쿼라스에 대한 검출의 유의수준은 11.1σ에 이르며, z ≈ 1.2에서 중성 수소의 효과적 군집화 진폭(AHI)에 대한 제약 조건을 제시하여, 현재까지 가장 높은 적색편이에서의 21 cm 강도 매핑 측정을 기록하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• CHIME의 간섭계 데이터를 이용하여 우주론적 21 cm 복사의 대규모 구조에서의 검출를 목표로 한다.
• 재이온화 이후 우주에서 중성 수소의 효과적 군집화 진폭(AHI)을 측정하는 것을 목표로 한다.
• eBOSS 설문조사의 은하 추적자와의 교차상관을 통해 강도 매핑이 우주론적 탐사 도구로서 유효한지 검증하는 것을 목표로 한다.
• 데이터에서 적색편이 공간 왜곡 및 분광적 적색편이 편향과 같은 체계적 영향을 평가하는 것을 목표로 한다.
• 21 cm 강도 매핑의 적색편이 범위를 z ≈ 1.30까지 연장하여 고적색편이 라디오 천문학의 최전선을 확장하는 것을 목표로 한다.

제안 방법

• eBOSS 군집 카탈로그에서 유도된 밝은 빨간은하성(LRGs), 발광선 은하(ELGs), 쿼라스(QSOs)의 천체 위치를 기반으로 102개의 밤 동안의 CHIME 복사수집 데이터를 스택하여 교차상관을 수행한다.
• 다중 척도 및 다중 주파수 접근 방식을 사용하여 스택하기 이전에 은하계 및 갈락티크 외부의 전경을 제거하기 위해 전경 필터링을 적용한다.
• 베이지안 프레임워크를 사용하여 검출 유의수준을 평가하며, Bayes 요인(log BF = 18.9 for LRGs, 56.3 for QSOs)과 빈도주의 우도비 검정을 함께 사용한다.
• 선형 조합의 파wer 스펙트럼 항목을 사용하여 21 cm 신호를 모델링하며, 선형 편향(bHI), 적색편이 공간 왜곡(⟨fµ²⟩), 그리고 샷 노이즈를 포함한다.
• 지연 공간(τ)에서 Fingers of God 효과를 모델링하기 위해 전달 함수를 사용하며, 시뮬레이션과의 비교를 통해 효과적 스무딩 폭 σeff를 추정한다.
• 잔류된 적색편이 오차(∆ν0)를 보정하기 위해 푸리에 공간에서 위상 회전을 적용하여, 은하 적색편이와 정확한 템플릿 정렬을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CHIME와 같은 간섭계 장치를 사용하여 대규모 구조에서 온 우주 21 cm 복사를 검출할 수 있는가?
• RQ2 은하 추적자와의 교차상관을 통해 유도된 z ≈ 0.8–1.4에서 중성 수소의 효과적 군집화 진폭(AHI)은 얼마인가?
• RQ3 적색편이 공간 왜곡 및 분광적 적색편이 오차는 21 cm 강도 매핑 신호와 그 검출 유의수준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 현재까지 간섭계 데이터를 사용하여 성공적으로 측정된 21 cm 강도 매핑의 최고 적색편이는 얼마인가?
• RQ5 각 파rameter에 대한 직접 시뮬레이션 없이도 넓은 적색편이 범위 스택에서 Fingers of God 효과를 효과적으로 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 쿼라스에 대한 검출의 유의수준은 베이지안 프레임워크에서 log BF = 56.3으로 확인되며, 빈도주의 프레임워크에서는 11.1σ에 이르는 높은 유의수준을 보인다.
• 쿼라스에 대해 z ≈ 1.20에서 중성 수소의 효과적 군집화 진폭은 AHI = 1.68+1.10−0.67로 측정되었으며, 비선형 척도 모델링의 불확실성으로 인해 제약 조건이 제한된다.
• 밝은 빨간은하성(LRGs)에 대해 z ≈ 0.84에서 AHI = 1.51+3.60−0.97이며, 발광선 은하(ELGs)에 대해 z ≈ 0.96에서 AHI = 6.76+9.04−3.79이다.
• 쿼라스에 대해 비제로의 분광적 적색편이 편향 ∆v = −66 ± 20 km/s가 측정되었으며, 이는 그들의 적색편이에 체계적 오프셋이 있음을 시사한다.
• 현재까지 가장 높은 적색편이에서의 21 cm 강도 매핑 검출은 상부 적색편이 영역(z ≈ 1.30)에서 이루어졌으며, 모든 세 개의 적색편이 영역에서 결정적인 검출이 확인되었다.
• 지연 공간에서의 효과적 Fingers of God 전달 함수는 적색편이에 따라 변하는 흐림을 정확하게 모델링하며, αFoG,x = 0에서 3 사이에서 오차가 0.5% 미만으로 유지되어 견고한 템플릿 보정이 가능하다.