[论文解读] Astrophysics and Cosmology with Line-Intensity Mapping

Ely D. Kovetz, Patrick C. Breysse+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 55被引用 41

一句话总结

本文倡导线强度映射（LIM）作为一种强大、多线、层析式的方法，在广泛的红shift范围内对宇宙进行映射，从而利用大体积和跨线协同，开展关于星系进化、再电离和基础宇宙学的研究。

ABSTRACT

Line-Intensity Mapping is an emerging technique which promises new insights into the evolution of the Universe, from star formation at low redshifts to the epoch of reionization and cosmic dawn. It measures the integrated emission of atomic and molecular spectral lines from galaxies and the intergalactic medium over a broad range of frequencies, using instruments with aperture requirements that are greatly relaxed relative to surveys for single objects. A coordinated, comprehensive, multi-line intensity-mapping experimental effort can efficiently probe over 80% of the volume of the observable Universe - a feat beyond the reach of other methods. Line-intensity mapping will uniquely address a wide array of pressing mysteries in galaxy evolution, cosmology, and fundamental physics. Among them are the cosmic history of star formation and galaxy evolution, the compositions of the interstellar and intergalactic media, the physical processes that take place during the epoch of reionization, cosmological inflation, the validity of Einstein's gravity theory on the largest scales, the nature of dark energy and the origin of dark matter.

研究动机与目标

• 将LIM确立为研究星形成史、星际介质/极其星际介质（ISM/IGM）性质以及跨越宇宙时间的再电离时期的全面工具。
• 突出LIM在检验宇宙学和超越标准ΛCDM的基础物理方面的潜力。
• 倡导多线观测与互相关策略，以最大化科学回报并减轻前景干扰。
• 描述当前的探测、计划中的实验，以及与其他观测站（JWST、LSST/WFIRST、ALMA、ngVLA、SPHEREx、Origins）之间的协同。

提出的方法

• 概述LIM框架：在广泛的频率范围内对来自未解析星系和IGM的整合线发射的涨落进行映射。
• 将LIM的模态数与CMB进行比较，以强调高N_modes和层析能力（N_modes_LIM ~ ℓ_max^2 × N_z）。
• 主张一个协调的多线观测计划和互相关科学，以提取发光度关系及物理的ISM/IGM属性。
• 讨论前景去除策略以及与其他大尺度结构追踪量的互相关在确保稳健性中的作用。
• 总结LIM观测仪器与建模的当前探测与近期目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 相较于传统星系调查，LIM能独特揭示哪些宇宙时期和物理过程？
• RQ2 多线LIM与互相关如何约束星形成、ISM/IGM性质及再电离历史？
• RQ3 LIM在多大程度上能够超越ΛCDM，对暴胀、暗能量、重力和暗物质的约束有所提升？
• RQ4 在未来十年中，协调多线LIM实验的实际前景与科学回报如何？

主要发现

• LIM有潜力通过多线、超光谱映射接触可观测宇宙约80%的体积进行研究。
• 跨线互相关（例如CO、CII、Ly-α、Hα）使在宇宙时间尺度上对星形成、ISM性质、金属丰度和电离状态进行联合约束成为可能。
• LIM可通过多种追踪量（如21 cm、[CII]、Ly-α）探测再电离，以表征离子化气泡的演化以及电离光子源。
• 线发射是对潜在暗物质密度场的有偏追踪量，使得对ΛCDM、暴胀的非高斯性、修正引力以及暗能量演化的测试成为可能。
• 现有在低到中等红移的探测，包括21 cm（约z=0.8）、[CII]（约z=2.5）、Ly-α（约z=3）和CO（z≈3）通过互相关实现，并计划进一步工作以提高显著性和红移覆盖。
• 与其他观测站（ALMA、ngVLA、JWST、DESI-like调查、SPHEREx、Origins）的协同将增强互相关分析与红移标定，同时互相关有助于减轻前景干扰。