[论文解读] Detection of Cosmological 21 cm Emission with the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment

CHIME Collaboration, M. Amiri+31 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Ionosphere and magnetosphere dynamics被引用 5

一句话总结

本论文首次利用加拿大氢强度测绘实验（CHIME）对大尺度结构的宇宙学21厘米发射进行干涉检测，通过叠加eBOSS巡天中明亮红序星系、发射线星系和类星体的射电图象，实现了对中性氢有效集聚幅度（AHI）在红移z ≈ 1.2处的约束，类星体检测显著性达11.1σ，标志着迄今最高红移的21厘米强度测绘测量结果。

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.

研究动机与目标

• 利用CHIME的干涉数据检测宇宙学21厘米发射来自大尺度结构。
• 测量再电离后宇宙中中性氢的有效集聚幅度（AHI）。
• 通过与eBOSS巡天中星系示踪体的交叉相关，验证强度测绘作为宇宙学探针的有效性。
• 评估数据中红移空间畸变与光谱红移偏差等系统效应的影响。
• 将21厘米强度测绘的红移基线扩展至z ≈ 1.30，推动高红移射电宇宙学的前沿。

提出的方法

• 将CHIME的102个夜晚的可见度数据与eBOSS聚类星表中明亮红序星系（LRGs）、发射线星系（ELGs）和类星体（QSOs）的角位置及谱线位置进行叠加交叉相关。
• 在叠加前采用多尺度、多频率方法进行前景滤除，以去除银河系及星系外前景。
• 采用贝叶斯框架结合贝叶斯因子（LRGs的log BF = 18.9，QSOs的log BF = 56.3），并辅以频率学似然比检验评估检测显著性。
• 使用线性组合的功率谱项对21厘米信号建模，包括线性偏置（bHI）、红移空间畸变（⟨fµ²⟩）和星系噪声。
• 在延迟空间（τ）中使用转移函数对Fingers of God效应建模，通过与模拟对比估计有效平滑宽度σeff。
• 在傅里叶空间中应用相位旋转以校正残余红移误差（∆ν0），确保模板与星系红移的精确对齐。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用类似CHIME的干涉仪器检测到来自大尺度结构的宇宙学21厘米发射？
• RQ2 通过与星系示踪体的交叉相关，中性氢的有效集聚幅度（AHI）在红移z ≈ 0.8–1.4处的值是多少？
• RQ3 红移空间畸变与光谱红移误差如何影响21厘米强度测绘信号及其检测显著性？
• RQ4 迄今使用干涉数据进行21厘米强度测绘的最高红移是多少？
• RQ5 在宽红移范围叠加中，能否在无需对每个参数进行直接模拟的情况下有效建模Fingers of God效应？

主要发现

• 类星体的21厘米发射检测经确认，贝叶斯因子为56.3（log BF），在频率学框架下对应11.1σ显著性。
• 类星体在z ≈ 1.20处测得中性氢的有效集聚幅度为AHI = 1.68+1.10−0.67，其约束受非线性尺度建模不确定性的限制。
• 明亮红序星系在z ≈ 0.84处测得AHI = 1.51+3.60−0.97，发射线星系在z ≈ 0.96处测得AHI = 6.76+9.04−3.79。
• 类星体测得非零光谱红移偏差∆v = −66 ± 20 km/s，表明其红移存在系统性偏移。
• 迄今最高红移的21厘米强度测绘检测在最高红移区间（z ≈ 1.30）实现，所有三个红移区间均确认了决定性检测。
• 延迟空间中Fingers of God效应的有效转移函数能准确建模红移相关的展宽效应，αFoG,x = 0至3范围内误差小于0.5%，支持稳健的模板校正。