[论文解读] 21 cm Intensity Mapping

J. B. Peterson, R. Aleksan+38 more|ArXiv.org|Feb 18, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 12被引用 19

一句话总结

本白皮书提出利用21厘米强度映射作为一项强大、全天区、三维探测宇宙大尺度结构的手段，覆盖红移z = 0至z = 5的范围，通过统计测量中性氢的21厘米谱线发射，绘制宇宙结构，而无需分辨单个星系。该方法通过测量重子声学振荡来约束暗能量，实现精确宇宙学研究，同时探测大尺度引力效应，并检测瞬变射电源。

ABSTRACT

Using the 21 cm line, observed all-sky and across the redshift range from 0 to 5, the large scale structure of the Universe can be mapped in three dimensions. This can be accomplished by studying specific intensity with resolution ~ 10 Mpc, rather than via the usual galaxy redshift survey. The data set can be analyzed to determine Baryon Acoustic Oscillation wavelengths, in order to address the question: 'What is the nature of Dark Energy?' In addition, the study of Large Scale Structure across this range addresses the questions: 'How does Gravity effect very large objects?' and 'What is the composition our Universe?' The same data set can be used to search for and catalog time variable and transient radio sources.

研究动机与目标

• 倡导在Astro2010十年调查中将21厘米强度映射作为关键技术，用于在宇宙时空中绘制大尺度结构。
• 解决基本的宇宙学问题，包括暗能量的本质以及引力在塑造大尺度结构中的作用。
• 实现角分辨率约10 Mpc的全天区巡天，避免对深度星系红移巡天的需求。
• 利用同一数据集检测瞬变和变星射电源。
• 为宇宙参数估计提供一种成本效益高、覆盖范围广的传统星系巡天替代方案。

提出的方法

• 测量中性氢在红移范围0 < z < 5内21厘米超精细跃迁线的统计强度。
• 使用干涉仪仪器测量天空和红移方向上21厘米信号的亮度温度涨落，实现约10 Mpc的分辨率。
• 分析21厘米信号的功率谱，提取作为标准尺的重子声学振荡（BAO）特征。
• 利用21厘米图与其它大尺度结构示踪体之间的互相关技术，提高信噪比。
• 应用统计方法从大尺度功率谱中提取宇宙学参数，包括BAO尺度。
• 利用同一数据流通过周期性或爆发式信号检测方法识别和编目时间变和瞬变射电源。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过21厘米强度映射测量的重子声学振荡约束暗能量的本质？
• RQ2 引力如何影响宇宙时空中大尺度结构的演化？
• RQ3 从21厘米功率谱中可推断出宇宙的组分，包括暗物质和暗能量？
• RQ4 能否利用相同的21厘米强度映射数据流高效检测瞬变和变星射电源？
• RQ5 在当前和计划中的仪器条件下，21厘米信号在完整红移范围0 < z < 5内的测量精度如何？

主要发现

• 21厘米强度映射可在红移范围0 < z < 5内实现角分辨率和光谱分辨率约10 Mpc的三维大尺度结构映射。
• 该方法可直接测量重子声学振荡，作为标准尺用于约束暗能量参数。
• 同一数据集可用于检测和编目瞬变和变星射电源，无需额外的观测模式。
• 该技术避免了对深度星系红移巡天的需求，为宇宙学测绘提供了更高效、可扩展的方法。
• 该方法对结构增长敏感，可通过红移空间功率谱测试宇宙学尺度的引力。
• 该方法在现有和近未来仪器条件下可行，使其成为Astro2010十年调查中强有力候选方案。