[论文解读] Can the reionization epoch be detected as a global signature in the cosmic background?

P. A. Shaver, Rogier A. Windhorst+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 1999

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 2被引用 72

一句话总结

本文提出通过红移21厘米辐射（70–240 MHz）和氢再结合辐射（0.7–2.6 μm）在河外背景辐射中的全局谱台阶来探测宇宙再电离时期。该信号的陡峭度和幅度远超基本极限，使其可通过中等规模射电望远镜或低背景空间望远镜探测，为宇宙首次电离相变提供独特探针。

ABSTRACT

The reionization of the Universe is expected to leave a signal in the form of a sharp step in the spectrum of the sky. If reionization occurs at 5 < z < 20, a feature should appear in the radio sky at 70 - 240 MHz due to redshifted HI 21-cm line emission, accompanied by another feature in the optical/near-IR at 0.7 - 2.6 micron due to hydrogen recombination radiation. The expected amplitude is well above fundamental detection limits, and the sharpness of the feature may make it distinguishable from variations due to terrestrial, galactic and extragalactic foregrounds. Because this is essentially a continuum measurement of a signal which occurs over the whole sky, relatively small telescopes may suffice for detection in the radio. In the optical/near-IR, a space telescope is needed with the lowest possible background conditions, since the experiment will be severely background-limited.

研究动机与目标

• 研究再电离时期是否能在宇宙背景辐射中产生可探测的全局谱特征。
• 评估由于中性到电离星际介质转变而产生的陡峭谱台阶的可探测性。
• 评估射电和光学/近红外观测在存在前景污染情况下的该全局特征探测潜力。
• 确定在信号预期幅度和陡峭度条件下，中等尺寸望远镜或空间仪器是否足以实现探测。

提出的方法

• 建模再电离期间中性氢的红移21厘米辐射，预测在红移5 ≤ z_ion ≤ 20时，对应频率为70–240 MHz的谱台阶。
• 估算由于再电离过程中的快速、类似相变的电离前缘，光学/近红外波段（0.7–2.6 μm）的氢再结合辐射幅度。
• 通过将预期信号幅度与基本探测极限和前景污染水平进行比较，评估全局信号的可探测性。
• 建议使用中等尺寸地面射电望远镜探测21厘米信号，或使用低背景条件的太空望远镜探测光学/近红外信号。
• 建模银河系和河外前景的影响，并建议采用谱减法和平场校准等技术减轻污染。
• 模拟哈勃空间望远镜STIS仪器搭配G750L光栅的灵敏度，估算在36个轨道内可实现3σ表面亮度灵敏度为1.3×10⁻²¹ erg/cm²/s/Hz/sr。

实验结果

研究问题

• RQ1 再电离时期是否会在河外背景谱中产生可探测的全局谱特征？
• RQ2 再电离产生的21厘米和再结合辐射信号的预期幅度和频率范围是什么？
• RQ3 该谱台阶的陡峭度是否足以使其在射电和光学波段中与平滑前景变化区分开来？
• RQ4 探测该全局信号所需的仪器要求（望远镜尺寸、背景水平、校准精度）是什么？
• RQ5 在探测过程中，银河系和河外源的前景污染在多大程度上可被抑制？

主要发现

• 由于中性氢的红移21厘米辐射，再电离时期预计在河外背景中产生70–240 MHz频段的陡峭谱台阶。
• 在0.7–2.6 μm波段，由于氢再结合辐射，预测存在互补的谱特征，其幅度远超基本探测极限。
• 该信号的陡峭度可能使其即使在存在银河系和河外发射成分的情况下，也能与平滑前景区分开来。
• 在有效管理地面干扰的前提下，中等尺寸地面望远镜即可实现射电探测。
• 光学/近红外探测需要在极低背景条件下运行的空间望远镜，以克服背景受限灵敏度。
• 若平场校准和定标精确，36轨道的HST/STIS观测搭配G750L光栅可实现1.3×10⁻²¹ erg/cm²/s/Hz/sr的3σ表面亮度灵敏度，足以探测再电离信号。