[论文解读] Low-redshift 21cm Cosmology in Canada

Liu, Adrian, Foreman, Simon+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 1

一句话总结

本白皮书主张通过推进CHIME、HIRAX和CHORD等第一代仪器，使加拿大在低红移21厘米宇宙学领域实现持续领导地位，推动从功率谱上限测量向自相关信号直接探测的转变。该白皮书强调了加拿大在强度映射领域的现有仪器与科学领导力，使其能够以较低成本开展大体积中性氢巡天，从而探测宇宙学参数并检验ΛCDM模型之外的物理理论。

ABSTRACT

Line-intensity mapping of the 21cm line is a powerful probe of large scale structure at z&lt;6, tracing large-scale structure via neutral hydrogen content that is found within galaxies. In principle, it enables cost-efficient surveys of the matter distribution up to z~6, unlocking orders of magnitude more modes for observational cosmology. Canada has been a traditional leader in this field, having led the first detections of the cosmological 21cm signal via cross-correlations with optical galaxy surveys and having constructed the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME). The field is now entering a new era where data is abundant, allowing studies in how to overcome systematics to be tackled in an empirical, head-on fashion. In the next few years, this will produce the first detection of the 21cm auto power spectrum, which will pave the way towards a large suite of scientific possibilities.<br> These potentially include precision measurements on the dark energy equation of state and other LCDM parameters, constraints on how HI mass traces dark matter, a detection of neutrino effects on large-scale structure, and the use of 21cm lensing to further constrain cosmology. To turn these promising directions into reality, we recommend a sustained program of investment in 21cm<br> cosmology, starting with funding for the Canadian Hydrogen Observatory and Radio transient Detector (CHORD), followed by small-scale development efforts targeting next-generation hardware and sustained support for theory and technical staff support. Additionally, Canada should invest in complementary line-intensity mapping efforts (such as with CO or [CII] lines) and maintain participation in next-generation international efforts such as the Packed Ultra-wideband Mapping Array (PUMA) and the Square Kilometre Array (SKA).

研究动机与目标

• 通过持续投资下一代仪器，使加拿大成为全球低红移21厘米宇宙学的领导者。
• 推动21厘米宇宙学从功率谱上限测量向自相关信号直接探测的转变。
• 利用加拿大现有的基础设施与射电天文学科学专长，实现成本效益高、大体积的中性氢巡天。
• 支持发展大数据处理与系统误差抑制技术，以应对前景污染的21厘米观测挑战。
• 通过在仪器与数据分析方面的领导力，使加拿大天文学成为PUMA与SKA等国际项目的关键驱动力。

提出的方法

• 利用综合孔径射电望远镜对大尺度结构中中性氢的21厘米线发射进行广域、低分辨率巡天。
• 通过21厘米数据与光学星系巡天的交叉相关技术，约束21厘米功率谱并推断中性氢含量。
• 利用CHIME和HIRAX等仪器的大数据集，实施基于经验的前景抑制策略，以减少天体物理前景的污染。
• 设计如CHORD等仪器，采用模块化、可扩展的阵列结构，支持部分部署与迭代系统优化。
• 利用加拿大现有设施（如CHIME和DRAO站点支持）以降低成本并加速部署。
• 整合先进数据处理与机器学习技术，以应对强度映射巡天带来的‘大数据’挑战。

实验结果

研究问题

• RQ1 加拿大能否通过开发CHORD等下一代仪器，维持其在低红移21厘米宇宙学领域的领导地位？
• RQ2 探测21厘米自相关信号的关键系统误差与前景挑战是什么？如何通过基于经验数据的方法加以缓解？
• RQ3 21厘米强度映射如何通过较长的红移基线，为ΛCDM参数提供更紧约束，并检验早期暗能量模型？
• RQ4 光学星系示踪器与中性氢分布的相关性如何？差异又对HI偏置与星系形成意味着什么？
• RQ5 加拿大主导的仪器（如CHIME与HIRAX）在多大程度上可作为PUMA与SKA等更大国际项目的先导？

主要发现

• 加拿大已利用现有仪器（如GBT与Parkes望远镜）实现世界领先的21厘米信号约束，检测显著性分别为5.7σ（Parkes-2dF）与7.4σ（GBT-WiggleZ）。
• 交叉相关测量首次实现了对中性氢含量的科学约束，得出在z ∼0.8时ΩHIbHI = (0.62+0.23−0.15) × 10−3。
• Anderson等（2018）的测量结果比基于ALFALFA预测的预期值低15.3σ，表明HI与蓝星系之间的相关性较弱，或HI偏置较低。
• CHIME、HIRAX与CHORD有望实现从功率谱上限到21厘米自相关函数直接探测的跨越，标志着迈向宇宙学科学的关键一步。
• 加拿大现有的基础设施（包括DRAO站点支持与CIRADA大数据平台）为成本效益高、可扩展的仪器开发提供了坚实基础。
• 加拿大在21厘米宇宙学领域的领导力将在塑造PUMA与SKA等国际项目中发挥关键作用，尽管加拿大尚未正式参与SKA，但预计将在其中扮演主导角色。