[논문 리뷰] Forecasts on Interacting Dark Energy from 21-cm Angular Power Spectrum with BINGO and SKA observations

Linfeng Xiao, André A. Costa외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 02.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 92인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 향후 BINGO와 SKA HI 강도 매핑 설문을 통해 21cm 각지수 스펙트럼을 이용해 상호작용하는 어두운 에너지(IDE)에 대한 제약을 예측하며, 어두운 에너지 상호작용으로 인해 발생하는 밝기 온도의 새로운 기여를 도출한다. SKA1-MID 밴드 1+Planck 조합은 후기 우주 파rameter에 대해 Planck 2018을 능가하며 어두운 에너지 상태 방정식 𝑤에 대해 약 0.34%의 불확실성으로 제약을 설정할 수 있으며, 외부 간섭 요인(예: 외부 신호 잔류항, ΩHI(𝑧)의 불확실성)가 정밀도에 영향을 주지만 고도화된 캘리브레이션을 통해 관리 가능한 수준을 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상호작용 어두운 에너지(IDE)가 ΛCDM 모델과 비교해 21cm 각지수 스펙트럼에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 향후 HI 강도 매핑 설문(BINGO, SKA1-MID 밴드 1, 밴드 2)을 이용해 IDE의 파rameter 제약을 예측하기 위해.
• 외부 간섭 요인(외부 신호 잔류항, 적색편이 공간 왜곡, HI 비율 ΩHI(𝑧)의 불확실성)가 파rameter 제약에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 후기 우주의 우주론적 제약 향상을 위해 HI 강도 매핑과 Planck 2018 CMB 자료 간의 상호보완적 효과를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 상호작용 어두운 에너지의 맥락에서 21cm 밝기 온도 변동을 재유도하며, 상호작용 항에서 기인하는 새로운 물리적 기여를 밝혀내었다.
• 실제 관측 구성과 간섭 요인 모델링을 기반으로 BINGO, SKA1-MID 밴드 1, 밴드 2의 설문별 노이즈 수준을 추정하였다.
• 다양한 IDE 모델 하에서 𝑤, ℎ, 𝜆𝑖, 𝑏HI, ΩHI(𝑧)의 파rameter 불확실성 예측을 위해 피셔 행렬 방법을 적용하였다.
• 외부 신호 잔류항을 효율 계수 𝜖FG를 가진 가우시안 분포로 모델링하여 제약력 저하 정도를 평가하였다.
• 시간에 따라 변화하는 HI 비율 ΩHI(𝑧) = 𝐴(1+𝑧)𝛾를 자유 파rameter로 설정하여 ℎ 및 𝑏HI와의 디게너시를 연구하였다.
• 여러 설문의 예측을 Planck 2018 사전 정보와 결합하여 상호보완적 제약의 효과를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 에너지와 어두운 물질 간의 상호작용이 표준 ΛCDM 모델을 초월해 21cm 각지수 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 피셔 행렬 예측을 통해 BINGO 및 SKA1-MID 설문으로부터 IDE 파arameter(𝑤, ℎ, 𝜆𝑖, 𝑏HI)에 대한 예측 제약은 무엇인가?
• RQ3 외부 신호 잔류항(𝜖FG), 적색편이 공간 왜곡, ΩHI(𝑧)의 불확실성과 같은 간섭 요인이 파arameter 제약을 얼마나 떨어뜨리는가?
• RQ4 SKA1-MID와 같은 HI 강도 매핑 설문이 후기 우주의 우주론적 파arameter, 특히 𝑤와 ℎ를 제약하는 데서 Planck 2018을 능가할 수 있는가?
• RQ5 ΩHI(𝑧)를 시간에 따라 변화하는 함수 𝐴(1+𝑧)𝛾로 모델링할 경우 어두운 에너지 및 비율 파arameter 추정의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SKA1-MID 밴드 1+Planck는 어두운 에너지 상태 방정식 𝑤에 대해 약 0.34%의 1σ 불확실성으로 예측 제약을 확보하며, 후기 우주 파arameter에서 Planck 2018을 능가한다.
• SKA1-MID 밴드 1+Planck 조합을 통해 감소된 허블 상수 ℎ에 대한 최소 불확실성은 약 0.22%로 예측되어 우주 팽창에 대한 높은 정밀도를 보여준다.
• 상호작용 강도 𝜆1에 대한 절대 불확실성은 약 3×10−4로 추정되며, 𝜆2는 약 7×10−4로 나타나 IDE 결합에 대한 높은 민감도를 보인다.
• 외부 신호 잔류항 효율 𝜖FG ≲10−2일 경우 파arameter 제약력은 최대 10% 이내로 저하되며, 거의 완벽한 외부 신호 제거에 도달하기 위해서는 𝜖FG ≲10−5 이하여야 한다.
• ΩHI(𝑧) = 𝐴(1+𝑧)𝛾로 모델링할 경우 ℎ 및 𝑏HI에 대한 제약력 저하가 가장 심각하며, ℎ의 불확실성은 기본 사례 대비 최대 약 3.8배 증가한다.
• Planck 2018과의 상호보완적 조합을 통해 SKA1-MID는 ΩHI를 약 1.5%의 정밀도로 측정할 수 있으며, 𝐴와 𝛾에 대한 제약는 각각 약 0.46% 및 0.83%에 이르게 된다. 이는 시간에 따른 변화를 고려한 상황에서도 여전히 높은 정밀도를 유지한다.