[논문 리뷰] Minimum size of cosmological 21-cm simulations

Harman Deep Kaur, Nicolas Gillet외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 14.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 우주의 봄과 재이온화 시기(EoR) 동안 21cm 시뮬레이션의 파wer 스펙트럼(PS)을 정확하게 모델링하기 위해 필요한 최소 박스 크기를 규명한다. 다양한 박스 크기에서 여러 실현값을 사용하여, 총 노이즈의 1시그마 이내로 수렴하기 위해 250 Mpc 박스가 필요하다는 것을 발견했다. 이는 특히 CD 시대 시뮬레이션에서 큰 스케일의 파워를 과소평가하는 것을 줄이며, 편향과 산란을 감소시킨다. 200–300 Mpc 박스는 평균적으로 큰 스케일 파워를 약 7–9% 과소평가한다.

ABSTRACT

By mapping the large-scale thermal and ionization stucture of the intergalactic medium (IGM), cosmic 21-cm interferometry is set to revolutionize our understanding of the Epoch of Reionization (EoR) and the Cosmic Dawn (CD). However, interpreting upcoming observations relies on our ability to accurately model early galaxies and their cosmic radiation fields which drive the signal. The first galaxies are likely very rare and biased, with their abundances modulated by long wavelength modes of the density field. Moreover, the radiation fields from these galaxies interact with the IGM over a large range of scales. Therefore, the limited volume of 21-cm simulations can underestimate the amount of structure in the signal. In this work we quantify the minimum box size for simulating the power spectrum (PS) of the cosmic 21-cm signal. We perform multiple realizations of the initial conditions, for a range of box sizes. We quantify convergence with respect to a mock observation of box length 1.1 Gpc, with thermal noise computed for a 1000h observation with SKA1-low. We find that simulations of box lengths 200-300 Mpc typically do not show a bias in the PS during the EoR; however, they do tend to underestimate the large-scale power during the earlier epoch of CD by ~7-9 % on average. The absolute error on the PS from small-box realizations goes up to ~7 mK^2, or analogously up to ~4 sigma of the total noise. As expected, this bias and scatter between different realizations decreases with increasing box size. We conclude that box lengths of 250 Mpc are needed to converge at the level of <~1 sigma of the total noise.

연구 동기 및 목표

• 우주의 봄과 재이온화 시기(EoR) 동안 21cm 시뮬레이션의 파워 스펙트럼(PS) 추정치가 수렴하기 위해 필요한 최소 박스 크기를 정량화하는 것.
• 제한된 시뮬레이션 볼륨이 PS에 미치는 편향, 특히 희귀하고 비편향된 조기 은하를 조절하는 장파장 밀도장 모드로 인한 영향을 평가하는 것.
• 박스 크기가 모의 1.1 Gpc 관측(스카이1-로우 감도 기준)과 비교해 PS의 산란과 편향에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.
• PS 오차가 총 열노이즈의 1시그마 이하로 떨어지는 시뮬레이션 볼륨의 임계점을 결정하여, 향후 관측의 신뢰성 있는 해석을 보장하는 것.

제안 방법

• 소형에서 1.1 Gpc까지 다양한 박스 크기에서 초기 조건의 여러 실현값을 수행하여 21cm 신호의 통계적 변동을 샘플링하는 것.
• 각 실현값에 대해 21cm 신호의 파워 스펙트럼(PS)을 계산하여 다양한 볼륨에서의 수렴성과 산란을 평가하는 것.
• 스카이1-로우의 1000시간 통합 시간을 고려한 모의 관측을 통해 목표 신호 대 노이즈 수준과 노이즈 예산을 정의하는 것.
• 200–300 Mpc 박스에서 1.1 Gpc 기준값과 비교해 우주의 봄과 EoR 기간 동안 큰 스케일 파워의 편향과 산란을 정량화하는 것.
• 통계적 비교를 통해 PS 오차가 총 열노이즈의 1시그마 이하로 떨어지는 순간을 판단하여 수렴성의 기준을 설정하는 것.
• 장파장 밀도 모드가 다양한 스케일에서 조기 은하의 빈도와 복사장 분포에 미치는 영향을 고려하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주의 봄과 재이온화 시기 동안 21cm 시뮬레이션에서 파워 스펙트럼이 수렴하기 위해 필요한 최소 박스 크기는 무엇인가요?
• RQ2 작은 시뮬레이션 박스는 특히 우주의 봄 기간에 21cm 신호의 큰 스케일 파워를 얼마나 과소평가하는가요?
• RQ3 작은 박스에서 초기 조건의 다양한 실현값이 파워 스펙트럼의 산란에 어떤 영향을 미치며, 이는 박스 크기에 따라 어떻게 달라지나요?
• RQ4 1000시간의 스카이1-로우 관측에서 총 열노이즈의 1시그마 이하로 PS 오차가 떨어지는 박스 크기는 어느 정도인가요?
• RQ5 작은 볼륨 시뮬레이션에서 파워 스펙트럼의 편향은 우주의 봄과 재이온화 시기 동안 어떻게 달라지나요?

주요 결과

• 200–300 Mpc 박스를 사용한 시뮬레이션은 재이온화 시기(EoR) 동안 파워 스펙트럼에 유의미한 편향을 보이지 않는다.
• 더 이른 우주의 봄 기간에는 200–300 Mpc 박스가 큰 스케일 파워를 평균적으로 7–9% 과소평가한다.
• 작은 박스 실현값에서의 파워 스펙트럼 절대 오차는 최대 약 7 mK²에 이르며, 이는 1000시간의 스카이1-로우 관측에서 총 열노이즈의 약 4시그마에 해당한다.
• 박스 크가 커질수록 파워 스펙트럼의 편향과 산란이 감소하여 통계적 수렴성이 향상됨을 나타낸다.
• 총 노이즈의 <1시그마 이내로 수렴하기 위해 250 Mpc 박스가 필요하며, 이는 향후 관측의 신뢰성 있는 해석을 보장한다.
• 장파장 밀도 모드의 체적 효과가 특히 이른 우주 시기의 신호 구조에 크게 영향을 미친다는 것이 연구를 통해 확인되었다.