[论文解读] Cosmology from the EoR/Cosmic Dawn with the SKA

Jonathan R. Pritchard, Kiyotomo Ichiki+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 1

一句话总结

本文提出，平方公里阵列（SKA）第一阶段将通过探测红移 z = 6–27 时中性氢的 21 cm 漂移，实现对再电离时期（EoR）和宇宙黎明（CD）的开创性宇宙学测量。通过高灵敏度、大范围面积的巡天，SKA 将绘制大尺度密度涨落图，探测 21 cm 信号的弱引力透镜效应，并约束暗物质衰变和原初非高斯性等奇异物理现象，为宇宙微波背景（CMB）之外的早期宇宙宇宙学研究开辟新窗口。

ABSTRACT

The SKA will build upon early detections of the EoR by precursor instruments, such as MWA, PAPER, and LOFAR, and planned instruments, such as HERA, to make the first high signal-to-noise measurements of fluctuations in the 21 cm brightness temperature from both reionization and the cosmic dawn. This will allow both imaging and statistical maps of the 21cm signal at redshifts z = 6 - 27 and constrain the underlying cosmology and evolution of the density field. This era includes nearly 60% of the (in principle) observable volume of the Universe and many more linear modes than the CMB, presenting an opportunity for SKA to usher in a new level of precision cosmology. This optimistic picture is complicated by the need to understand and remove the effect of astrophysics, so that systematics rather than statistics will limit constraints. This chapter describes the cosmological, as opposed to astrophysical, information available to SKA. Key areas for discussion include: cosmological parameters constraints using 21cm fluctuations as a tracer of the density field; lensing of the 21cm signal, constraints on heating via exotic physics such as decaying or annihilating dark matter; impact of fundamental physics such as non-Gaussianity or warm dark matter on the source population; and constraints on the bulk flows arising from the decoupling of baryons and photons at z = 1000. The chapter explores the path to separating cosmology from astrophysics, for example via velocity space distortions and separation in redshift. We discuss new opportunities for extracting cosmology made possible by the sensitivity of SKA Phase 1 and explores the advances achievable with SKA2.

研究动机与目标

• 探索再电离时期和宇宙黎明期间 21 cm 漂移的宇宙学约束，这一时期此前尚未被观测到。
• 确定 SKA 的灵敏度和宽红移覆盖范围如何在存在天体物理系统误差的情况下，从 21 cm 信号中提取宇宙学信息。
• 评估 SKA-LOW 和 SKA-MID 在测量星际介质热历史及探测暗物质衰变等奇异物理现象特征方面的潜力。
• 开发利用速度空间畸变和红移分离来分离宇宙学信号与天体物理污染的策略。
• 评估 SKA1 和 SKA2 对测量 Gpc 尺度上的大尺度结构、弱引力透镜效应和原初非高斯性的贡献。

提出的方法

• 将 21 cm 辐亮度温度漂移作为 z = 6–27 范围内物质密度场的示踪器。
• 应用统计功率谱分析，从 SKA 的大范围、高灵敏度巡天中提取宇宙学约束。
• 采用弱引力透镜技术，通过 21 cm 信号角功率谱的畸变来绘制暗物质结构。
• 利用速度空间畸变和红移分离，将宇宙学信号与天体物理前景分离。
• 模拟最优观测策略，结合浅广巡天与深窄巡天，以最小化宇宙方差并最大化宇宙学信息提取。
• 利用 SKA2 的更高灵敏度和角分辨率，探测超 horizon 尺度上的相对论修正和原初非高斯性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA 第一阶段能否利用再电离时期和宇宙黎明的 21 cm 漂移测量物质功率谱和原初非高斯性等宇宙学参数？
• RQ2 如何利用速度空间畸变和红移分离将宇宙学信号与天体物理前景分离？
• RQ3 SKA 能否通过星际介质的热历史对暗物质衰变或湮灭施加约束？
• RQ4 大尺度结构对 21 cm 信号的弱引力透镜效应如何实现对 Gpc 尺度上暗物质结构的映射？
• RQ5 在 z ≈ 1000 时，重子物质与暗物质之间的集体流动如何影响 21 cm 功率谱，以及如何对其进行测量？

主要发现

• SKA-LOW 第一阶段将首次直接探测 z = 6–27 的再电离时期和宇宙黎明，覆盖可观测宇宙体积的近 60%。
• 该红移范围内大量线性模态的存在，为实现超越宇宙微波背景（CMB）的精确宇宙学研究提供了可能，前提是系统误差得到控制。
• SKA-LOW 可测量星际介质的热历史，为暗物质衰变或湮灭提供独特信号，其时间与空间依赖性与天体物理加热有明显区别。
• SKA-Mid 可测量 21 cm 信号的弱引力透镜效应，从而在从度到数十角分的尺度上绘制暗物质结构。
• SKA2 的更高灵敏度和角分辨率将使探测超 horizon 尺度上的原初非高斯性和相对论修正成为可能。
• 结合浅广巡天与深窄巡天的最优观测策略将最小化宇宙方差，并最大化宇宙学信息提取。