[论文解读] On the detection of a cosmic dawn signal in the radio background

Saurabh Singh, Jishnu N. Thekkeppattu+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 9

一句话总结

本研究利用SARAS 3辐射计在55–85 MHz频段测量宇宙射电天空，未发现EDGES在78 MHz处报告的U形21厘米吸收特征的证据。该轮廓以95.3%的置信度被拒绝，表明其很可能是仪器或地面起源，而非宇宙黎明的信号。

ABSTRACT

The astrophysics of cosmic dawn, when star formation commenced in the first collapsed objects, is predicted to be revealed as spectral and spatial signatures in the cosmic radio background at long wavelengths. The sky-averaged redshifted 21-cm absorption line of neutral hydrogen is a probe of cosmic dawn. The line profile is determined by the evolving thermal state of the gas, radiation background, Lyman-$α$ radiation from stars scattering off cold primordial gas and the relative populations of the hyperfine spin levels in neutral hydrogen atoms. We report a radiometer measurement of the spectrum of the radio sky in the 55--85~MHz band, which shows that the profile found by Bowman et al. in data taken with the Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature (EDGES) low-band instrument is not of astrophysical origin; their best-fitting profile is rejected with 95.3\% confidence. The profile was interpreted to be a signature of cosmic dawn; however, its amplitude was substantially higher than that predicted by standard cosmological models. Explanations for the amplitude of the profile included non-standard cosmology, additional mechanisms for cooling the baryons, perhaps via interactions with millicharged dark matter and an excess radio background at redshifts beyond 17. Our non-detection bears out earlier concerns and suggests that the profile found by Bowman et al. is not evidence for new astrophysics or non-standard cosmology.

研究动机与目标

• 检验EDGES在78 MHz处报告的21厘米吸收特征的天体物理起源。
• 确定该特征是真实的宇宙黎明信号，还是校准、干扰或系统误差的产物。
• 以高灵敏度和低系统误差测量天空平均射电谱，以探测谱线畸变。
• 利用独立数据和严格的模型比较，评估EDGES特征的统计显著性。
• 约束高红移（z > 17）处射电背景过量或非标准物理现象的存在。

提出的方法

• 在印度南部湖泊部署SARAS 3辐射计，测量43.75–87.5 MHz频段的天空平均射电谱，重点分析55–85 MHz频段。
• 使用漂浮在水面上的单锥形天线，以减少地面反射并提高校准稳定性。
• 通过现场测量和系统模型，校正接收机噪声温度、水热辐射和天线效率。
• 使用对数频率空间中的六阶多项式建模前景和系统贡献，以表征平滑的射电天空。
• 通过贝叶斯模型比较和马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）分析，检验原假设（H0）与包含EDGES轮廓的备择假设（H1）。
• 使用全球天空模型（GSM）生成模拟天空谱，并添加EDGES轮廓以模拟H1假设下的预期残差，从而实现与真实数据的统计比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 EDGES在78 MHz处报告的21厘米吸收特征是否为宇宙黎明的真实天体物理信号？
• RQ2 SARAS 3测量是否在测量不确定度范围内显示出EDGES轮廓的统计证据？
• RQ3 EDGES轮廓在射电天空中作为特征被拒绝的置信水平是多少？
• RQ4 接收机噪声、水辐射和天线效率的系统校准误差如何影响谱线特征的检测？
• RQ5 包含EDGES轮廓的模型与纯前景模型相比，其统计偏好程度如何？

主要发现

• SARAS 3谱线在测量噪声之外未显示显著的谱线畸变，原始61 kHz分辨率下的均方根（RMS）噪声为213 mK。
• EDGES提出的U形轮廓以95.3%的置信度被拒绝，表明其并非SARAS 3测量所揭示的射电天空中的特征。
• 使用贝叶斯证据和贝叶斯信息准则（BIC）的模型比较结果更倾向于原假设（H0），而非包含EDGES轮廓的模型。
• MCMC分析表明，整个EDGES类轮廓以90.4%的置信度被拒绝，其轮廓幅度的平均标度因子与零一致。
• 系统误差模拟证实，天线效率、水辐射和接收机噪声的校准不确定性不会产生类似EDGES特征的残差。
• 对SARAS 3数据拟合六阶多项式后，残差在1.4、2.8和4.2 MHz分辨率下未显示过剩方差，与仅由测量噪声决定的结果一致。