[論文レビュー] Streaming Velocity Effects on the Post-reionization 21 cm Baryon Acoustic Oscillation Signal

Heyang Long, Jahmour J. Givans+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 94被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、赤方偏移 3.5 ≤ z ≤ 5.5 の後再電離期 21 cm 積分映像信号におけるバリオンとダークマターの原始的流れ速度が、バリオン音響振動（BAO）スケールに与える歪みを調査する。空間的に変調されたホールモデルを用い、流れ速度がフィルタリング質量および再電離歴に与える影響を考慮した結果、流れ速度は負のバイアス係数 bv ≈ -0.0043 から -0.0273 を引き起こし、横方向に 0.121–0.350%、縦方向に 0.167–0.505% の BAO スケールの伸長を引き起こす。これは、将来のステージ II 21 cm 積分映像調査で予想される ∆z = 0.5 バインで 0.13% の精度を上回っており、宇宙論的解析において補正が必要であることを示している。

ABSTRACT

The relative velocity between baryons and dark matter in the early Universe can suppress the formation of small-scale baryonic structure and leave an imprint on the baryon acoustic oscillation (BAO) scale at low redshifts after reionization. This "streaming velocity" affects the post-reionization gas distribution by directly reducing the abundance of pre-existing mini-halos ($\lesssim 10^7 M_{\bigodot}$) that could be destroyed by reionization and indirectly modulating reionization history via photoionization within these mini-halos. In this work, we investigate the effect of streaming velocity on the BAO feature in HI 21 cm intensity mapping after reionization, with a focus on redshifts $3.5\lesssim z\lesssim5.5$. We build a spatially modulated halo model that includes the dependence of the filtering mass on the local reionization redshift and thermal history of the intergalactic gas. In our fiducial model, we find isotropic streaming velocity bias coefficients $b_v$ ranging from $-0.0043$ at $z=3.5$ to $-0.0273$ at $z=5.5$, which indicates that the BAO scale is stretched (i.e., the peaks shift to lower $k$). In particular, streaming velocity shifts the transverse BAO scale between 0.121% ($z=3.5$) and 0.35% ($z=5.5$) and shifts the radial BAO scale between 0.167% ($z=3.5$) and 0.505% ($z=5.5$). These shifts exceed the projected error bars from the more ambitious proposed hemispherical-scale surveys in HI (0.13% at $1\sigma$ per $\Delta z = 0.5$ bin).

研究の動機と目的

• 原始的バリオン-ダークマターの流れ速度が、再電離以降の 21 cm BAO 信号に与える影響を定量化すること。
• 流れ速度がフィルタリング質量および再電離歴に与える影響をモデル化し、観測可能な 21 cm 力学スペクトルに及ぼす影響を評価すること。
• 流れ速度に起因する BAO シフトが、提案されているステージ II 21 cm 積分映像調査の統計的誤差予算を上回るかどうかを評価すること。
• 非線形的発展や銀河形成効果と比較して、流れ速度が系誤差として果たす相対的重みを評価すること。

提案手法

• 局所的な再電離赤方偏移および銀河間媒体の熱的歴史に依存する流れ速度を組み込んだ空間的に変調されたホールモデルを開発した。
• 小スケール構造の抑制および再電離フィードバックの変化を考慮し、流れ速度関数としてフィルタリング質量を計算した。
• 径方向および横方向の BAO ピーク位置のずれをモデル化することで、流れ速度バイアス係数 bv を導出した。
• 基準的な宇宙論的パラメータとシミュレーテッドホールカタログを用い、赤方偏移 3.5 ≤ z ≤ 5.5 の範囲で bv を計算した。
• 予測された BAO シフトを、提案されたステージ II PUMA 21 cm 積分映像実験における ∆z = 0.5 バインあたり 0.13% の誤差予測と比較した。
• 局所的再電離モデリングや X線加熱や Pop III 星形成フィードバックの省略といった簡略化仮定のもとでの結果の頑健性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオンとダークマターの相対的流れ速度は、銀河間媒体におけるフィルタリング質量および再電離以降の中性ガス分布にどのように影響するか？
• RQ2 赤方偏移 z ≈ 3.5–5.5 における 21 cm 積分映像で、流れ速度が BAO スケールに及ぼす歪みはどの程度で、将来の調査の期待される統計的精度と比較してどうか？
• RQ3 流れ速度の直接的（構造抑制）および間接的（再電離歴の変調）効果が BAO 信号に与える寄与はそれぞれどの程度か？
• RQ4 流れ速度に起因する BAO シフトの大きさは、非線形的発展や銀河形成といった他の理論的系誤差と比較してどの程度か？

主な発見

• 流れ速度は、z = 3.5 で -0.0043 から z = 5.5 で -0.0273 の範囲で負のバイアス係数 bv を引き起こし、BAO スケールの伸長を示している。
• z = 3.5 で径方向 BAO スケールは 0.167% ずれており、z = 5.5 では最大 0.505% に達する。これは、提案されたステージ II PUMA 調査の ∆z = 0.5 バインあたり 0.13% の誤差予算を上回る。
• 横方向 BAO スケールは、z = 3.5 で 0.121%、z = 5.5 で最大 0.350% ずれており、これも予想される調査精度を上回る。
• 高赤方偏移では流れ速度によるフィルタリング質量への直接的効果が支配的であるが、低赤方偏移では再電離歴の変調に起因する間接的効果がより顕著になる。
• 流れ速度に起因する BAO シフトの大きさは、非線形的発展や銀河形成に起因するものと同等であり、これらは再構築技術によって低減可能であることが知られている。
• 本研究は、将来の 21 cm 積分映像実験において、流れ速度効果の補正が必要であると特定した。これにより、宇宙論的パrameter推定のバイアスを回避できる。