[논문 리뷰] Streaming Velocity Effects on the Post-reionization 21 cm Baryon Acoustic Oscillation Signal

Heyang Long, Jahmour J. Givans외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 94인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 재이온화 이후 21 cm 강도 매핑 신호에서 원시 보존과 암흑물질 간의 스트리밍 속도가 적색편이 3.5 ≤ z ≤ 5.5 범위에서 보존 음향 진동(BAO) 척도에 어떻게 왜곡을 유도하는지 조사한다. 공간적으로 조절된 헬로 모델을 사용하여 스트리밍 속도가 필터링 질량과 재이온화 역사를 어떻게 영향을 주는지 고려한 결과, 스트리밍 속도는 음의 편향 계수(bv ≈ -0.0043에서 -0.0273)를 유도하며, 이는 BAO 척도를 수평 방향으로 0.121–0.350% 및 축방향으로 0.167–0.505% 만큼 늘린다. 이는 향후 단계 II 21 cm 설문조사의 ∆z = 0.5 간격당 0.13% 정밀도 예측을 초과하며, 천체물리학 분석에서 보정이 필요하다고 한다.

ABSTRACT

The relative velocity between baryons and dark matter in the early Universe can suppress the formation of small-scale baryonic structure and leave an imprint on the baryon acoustic oscillation (BAO) scale at low redshifts after reionization. This "streaming velocity" affects the post-reionization gas distribution by directly reducing the abundance of pre-existing mini-halos ($\lesssim 10^7 M_{\bigodot}$) that could be destroyed by reionization and indirectly modulating reionization history via photoionization within these mini-halos. In this work, we investigate the effect of streaming velocity on the BAO feature in HI 21 cm intensity mapping after reionization, with a focus on redshifts $3.5\lesssim z\lesssim5.5$. We build a spatially modulated halo model that includes the dependence of the filtering mass on the local reionization redshift and thermal history of the intergalactic gas. In our fiducial model, we find isotropic streaming velocity bias coefficients $b_v$ ranging from $-0.0043$ at $z=3.5$ to $-0.0273$ at $z=5.5$, which indicates that the BAO scale is stretched (i.e., the peaks shift to lower $k$). In particular, streaming velocity shifts the transverse BAO scale between 0.121% ($z=3.5$) and 0.35% ($z=5.5$) and shifts the radial BAO scale between 0.167% ($z=3.5$) and 0.505% ($z=5.5$). These shifts exceed the projected error bars from the more ambitious proposed hemispherical-scale surveys in HI (0.13% at $1\sigma$ per $\Delta z = 0.5$ bin).

연구 동기 및 목표

• 원시 보존-암흑물질 스트리밍 속도가 재이온화 이후 21 cm BAO 신호에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 스트리밍 속도가 필터링 질량과 재이온화 역사를 어떻게 변화시켜 관측 가능한 21 cm 파wer 스펙트럼에 영향을 주는지 모델링하는 것.
• 제안된 단계 II 21 cm 강도 매핑 설문조사의 통계적 오차 예산을 초월하는지 여부를 평가하는 것.
• 비선형 진화 및 은하 형성 효과와 비교하여 스트리밍 속도가 체계적 오차로 얼마나 중요한지 평가하는 것.

제안 방법

• 지역 재이온화 적색편이와 간성간 매질의 열역학적 역사를 고려한 스트리밍 속도 의존성의 공간적으로 조절된 헬로 모델을 개발하였다.
• 작은 척도의 구조 억제와 재이온화 피드백 변화를 고려하여 스트리밍 속도 함수에 따른 필터링 질량을 계산하였다.
• 방사 및 수평 방향에서 BAO 피크 위치의 이동을 모델링하여 스트리밍 속도 편향 계수 bv를 유도하였다.
• 기준 천체물리학적 파rameter와 시뮬레이션된 헬로 카탈로그를 사용하여 적색편이 3.5 ≤ z ≤ 5.5 범위에서 bv를 계산하였다.
• 예상되는 BAO 이격을 제안된 단계 II PUMA 21 cm 강도 매핑 실험의 ∆z = 0.5 간격당 0.13% 오차 예측과 비교하였다.
• 지역 재이온화 모델링 및 X선 가열 또는 초기 태양계 형성 피드백의 생략과 같은 단순화된 가정 하에서 결과의 탄력성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보존과 암흑물질 간의 상대적 스트리밍 속도가 간성간 매질 내 필터링 질량과 재이온화 이후 중성 가스 분포에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ2 적색편이 z ≈ 3.5–5.5에서 스트리밍 속도가 21 cm 강도 매핑의 BAO 척도에 얼마나 왜곡을 유도하는가? 이는 향후 설문조사의 기대 통계 정밀도와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 스트리밍 속도의 직접적(구조 억제) 및 간접적(재이온화 역사 조절) 효과가 BAO 신호에 미치는 기여는 각각 얼마나 되는가?
• RQ4 비선형 진화 및 은하 형성과 같은 다른 이론적 체계적 오차와 비교해 스트리밍 속도에 의한 BAO 이격의 크기는 어느 정도인가?

주요 결과

• 스트리밍 속도는 z = 3.5에서 -0.0043에서 z = 5.5에서 -0.0273까지 변하는 음의 편향 계수 bv를 유도하며, 이는 BAO 척도의 연장됨을 나타낸다.
• 축방향 BAO 척도는 z = 3.5에서 0.167% 이격되었고, z = 5.5에서 최대 0.505%까지 이격되었으며, 이는 제안된 단계 II PUMA 설문조사의 ∆z = 0.5 간격당 0.13% 오차 예산을 초과한다.
• 수평 방향 BAO 척도는 z = 3.5에서 0.121% 이격되었고, z = 5.5에서 최대 0.350%까지 이격되었으며, 이 역시 예상 설문조사 정밀도를 초과한다.
• 고적색편이에서는 스트리밍 속도의 필터링 질량에 대한 직접적 영향이 지배적이지만, 저적색편이에서는 재이온화 역사 조절을 통한 간접적 영향이 점점 더 중요해진다.
• 스트리밍 속도에 의한 BAO 이격의 크기는 비선형 진화 및 은하 형성 효과와 유사하며, 이는 복원 기법을 통해 줄일 수 있다는 점에서 유사하다.
• 향후 21 cm 강도 매핑 실험에서 스트리밍 속도 효과를 보정할 필요가 있음을 이 연구가 밝혀냈다. 그렇지 않으면 천체물리학적 파rameter 추정에 편향이 발생할 수 있다.