[논문 리뷰] Distortions of the Cosmic Microwave Background through cooling lines during the epoch of Reionization

Carlos Hernandez-Monteagudo, Umberto Maio외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 06.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 재이온화 시기(z > 5) 동안 산란에 의해 유도되는 산소(OI) 145 μm 및 탄소(CII) 158 μm 미세구조선의 복사에서 발생하는 CMB 스펙트럼 왜곡을 분석한다. 이 왜곡은 낮은 주파수(ν < 300 GHz)에서 10⁻⁸–10⁻⁷ 수준으로 나타나며, 더 짧은 파장의 선들(e.g., OI 63 μm, FeII 26 μm)은 윈 꼬리 영역에서 더 강한 왜곡(최대 10⁻⁴)을 유도하여 고주파수에서 검출 가능하다. 이러한 선들은 높은 공간 상관성(>0.8)을 보이며, 서로 다른 시스템성의 영향을 받지 않고 동일한 재이온화 시기의 지도를 다중 주파수 교차상관을 통해 복원할 수 있다.

ABSTRACT

By using N-body hydrodynamical cosmological simulations in which the chemistry of major metals and molecules is consistently solved for, we study the interaction of metallic fine-structure lines with the CMB. Our analysis shows that the collisional induced emissions in the OI 145 $\\mu$m and CII 158 $\\mu$m lines during reionization introduce a distortion of the CMB spectrum at low frequencies ($\ u &lt; 300$ GHz) with amplitudes up to $\\Delta I_{\ u}/B_{\ u}(T_{\ m CMB})\\sim 10^{-8}$-$10^{-7}$, i.e., at the $\\sim 0.1$ percent level of FIRAS upper limits. Shorter wavelength fine-structure transitions (OI 63 $\\mu$m, FeII 26 $\\mu$m, and SiII 35 $\\mu$m) typically sample the reionization epoch at higher observing frequencies ($\ u &gt; 400$ GHz). This corresponds to the Wien tail of the CMB spectrum and the distortion level induced by those lines may be as high as $\\Delta I_{\ u}/B_{\ u}(T_{\ m CMB})\\sim 10^{-4}$. The angular anisotropy produced by these lines should be more relevant at higher frequencies: while practically negligible at $\ u=145 $GHz, signatures from CII 158 $\\mu$m and OI 145 $\\mu$m should amount to 1%-5% of the anisotropy power measured at $l \\sim 5000$ and $\ u=220 $GHz by the ACT and SPT collaborations (after assuming $\\Delta \ u_{\ m obs}/\ u_{\ m obs}\\simeq 0.005$ for the line observations). Our simulations show that anisotropy maps from different lines (e.g., OI 145 $\\mu$m and CII 158 $\\mu$m) at the same redshift show a very high degree ($&gt;0.8$) of spatial correlation, allowing for the use of observations at different frequencies to unveil the same snapshot of the reionization epoch. Finally, our simulations demonstrate that line-emission anisotropies extracted in narrow frequency/redshift shells are practically uncorrelated in frequency space, thus enabling standard methods for removal of foregrounds that vary smoothly in frequency, just as in HI 21 cm studies.

연구 동기 및 목표

• 재이온화 시기(z > 5) 동안 금속 미세구조선 복사가 CMB 흑체 스펙트럼에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 충돌에 의한 OI 및 CII 선의 자극으로 유도되는 스펙트럼 왜곡의 진폭과 주파수 의존성을 정량화하기 위해.
• 특히 고주파수에서의 검출 가능성 평가를 위해 현재 및 향후 CMB 실험에서 이러한 왜곡의 검출 가능성을 분석하기 위해.
• 다양한 선과 주파수를 통한 관측이 공간 상관성을 통해 동일한 재이온화 시점의 우주 스냅샷을 복원할 수 있는 잠재력을 평가하기 위해.
• 선에 의해 유도된 이방성이 주파수 간에 충분히 상관관계가 없어 표준 성분 분離 기법을 통해 외부 간섭을 효과적으로 제거할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 재이온화 기간 동안 기체와 금속 분포를 모의하기 위해 자가일관성 있는 금속 및 분자 화학 처리를 포함한 N-체 유체역학적 천체역학 시뮬레이션을 사용하였다.
• 은하핵 및 간성간 매질에서 주요 미세구조 전이(e.g., OI 145 μm, CII 158 μm, FeII 26 μm)의 충돌 자극 비율과 복사 에너지를 계산하였다.
• 다양한 주파수와 적색편이에서 CMB 흑체 스펙트럼의 결과적 왜곡을 밝기 온도 대비 ΔIν/Bν(T_CMB)를 통해 계산하였다.
• 다양한 적색편이와 주파수에서 선 복사의 이방성 각도 스펙트럼을 분석하여 상관성과 검출 가능성 평가를 수행하였다.
• 외부 간섭 제거 가능성을 평가하기 위해 주파수 간 상관관계가 없는지 선 신호의 주파수 분리 정도를 평가하였다.
• 동일한 적색편이에서 서로 다른 선들(e.g., OI 145 μm 및 CII 158 μm)의 이방성 지도를 교차상관하여 공간 일치 정도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재이온화 기간 동안 금속 미세구조선 복사에 의한 CMB 스펙트럼 왜곡의 진폭과 주파수 의존성은 어떻게 되는가?
• RQ2 더 긴 파장의 선들(e.g., OI 145 μm, CII 158 μm)과 더 짧은 파장의 선들(e.g., OI 63 μm, FeII 26 μm)의 왜곡은 신호 강도와 주파수 위치 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ3 동일한 적색편이에서 서로 다른 금속 선들의 이방성은 어느 정도 공간적으로 상관되어 있으며, 이는 동일한 재이온화 시기를 다중 주파수로 함께 지ap하는 데 유용한가?
• RQ4 선 신호의 주파수 분리 정도는 다중 주파수 CMB 관측에서 매끄러운 외부 간섭을 효과적으로 제거할 수 있도록 하는가?
• RQ5 이러한 선 복사의 스펙트럼 및 각도 서명은 열적 수냐예프-젤도비치 효과나 기타 알려진 CMB 왜곡과 어떻게 비교될 수 있는가?

주요 결과

• OI 145 μm 및 CII 158 μm 선의 충돌 복사로 인해 CMB 스펙트럼 왜곡이 발생하며, 주파수 ν < 300 GHz 범위에서 ΔIν/Bν(T_CMB) ~ 10⁻⁸–10⁻⁷ 수준으로 나타나며, 이는 FIRAS 상한선의 약 0.1%에 해당한다.
• OI 63 μm, FeII 26 μm, SiII 35 μm, FeII 51 μm 등의 짧은 파장 선들은 CMB 스펙트럼의 윈 꼬리 영역에서 최대 ΔIν/Bν(T_CMB) ~ 10⁻⁴ 수준의 왜곡을 유도하여 고주파수 영역에서 검출 가능하다.
• 동일한 적색편이에서 OI 145 μm 및 CII 158 μm 선의 이방성 지도는 공간 상관계수 >0.8를 보이며, 이는 서로 다른 주파수에서 동일한 재이온화 시기를 교차상관을 통해 복원할 수 있음을 의미한다.
• 좁은 주파수/적색편이 케이지에서 추출된 선 유도 이방성 신호는 주파수 공간에서 실질적으로 상관관계가 없으며, 이는 표준 성분 분리 기법을 통해 매끄러운 외부 간섭을 효과적으로 분리할 수 있음을 뒷받침한다.
• 이러한 선 왜곡의 주파수 패턴은 열적 수냐예프-젤도비치 효과의 y-형 왜곡과 다소 다름을 보이며, 천체물리적 원천 식별에 고유한 스펙트럼 서명을 제공한다.
• 자외선 펌프(예: 필드-우우스이젠 효과)를 고려할 경우 선 신호가 더욱 강화될 수 있으나, 본 연구는 충돌 자극에 국한하여 분석하였으며, 이미 측정 가능한 효과가 존재함을 확인하였다.