[论文解读] Cosmology with the Ly-a forest

Martin White|arXiv (Cornell University)|May 23, 2003

Astronomy and Astrophysical Research被引用 3

一句话总结

本文提出利用类星体光谱中的Lyα森林互相关功率谱来探测高红移物质功率谱中的重子声波振荡（BAO），为标准模型提供宇宙学检验。同时，研究还探讨了由类星体等光源驱动的紫外背景空间涨落如何影响Lyα森林的两点统计量，对z > 5时的电离历史与源发射率具有重要意义。

ABSTRACT

The Lya forest has emerged as one of the few systems capable of probing small-scale structure at high-z with high precision. In this talk I highlight two areas in which the Lya forest is shedding light on fundamental questions in cosmology, one speculative and one which should be possible in the near future.

研究动机与目标

• 探究Lyα森林互相关功率谱是否能够探测高红移物质功率谱中的重子声波振荡（BAO）。
• 评估空间变化的紫外背景对Lyα森林两点统计量（尤其在z > 5时）的影响。
• 确定红移z ≳ 6的类星体是否可能对紫外背景有显著贡献，从而影响电离与光学厚度测量。
• 评估通过未来大规模类星体巡天的Lyα森林通量互相关谱测量BAO的可行性。
• 量化非均匀电离背景对光学厚度估计的系统性影响及其对源发射率约束的含义。

提出的方法

• 利用成对类星体视线之间的通量互相关谱探测三维物质功率谱，利用互相关谱对重子振荡敏感而自相关谱因k方向积分而抑制其响应的特性。
• 应用峰值-背景分离形式化方法，将通量互相关谱πτ与潜在的暗物质互相关功率谱π关联起来，假设δn_H ∝ (ρ/ρ̄)^α。
• 使用Hankel变换关系（公式2和3）反演互相关谱以恢复三维功率谱Δ²(q)，其中J₀为第一类贝塞尔函数。
• 将电离背景建模为空间涨落，通过模拟中的源分布计算由此产生的通量功率谱与相关函数。
• 使用蒙特卡洛模拟在宇宙学模拟盒中布置源，计算紫外背景，并生成具有不同电离条件的合成Lyα光谱。
• 对互相关谱进行似然估计，利用可解析计算的红移与尺度依赖振荡，避免对不规则采样数据进行反演。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管信噪比较低，Lyα森林互相关谱是否仍能探测高红移物质功率谱中的重子声波振荡？
• RQ2 紫外背景的空间涨落如何影响z > 5时Lyα森林的两点统计量（如通量相关函数与功率谱）？
• RQ3 红移z ≳ 6的类星体在多大程度上可对紫外背景产生显著贡献？其可观测后果对平均光学厚度与电离结构有何影响？
• RQ4 非均匀电离背景对光学厚度估计及匹配观测平均通量所需发射率有何影响？
• RQ5 当前与未来的类星体巡天是否可将互相关谱测量至宇宙方差极限？主要系统误差为何？

主要发现

• 通量互相关谱对物质功率谱中的重子声波振荡敏感，理论信噪比可达到约1%，仅需数百对类星体即可实现。
• 互相关谱可测量至宇宙方差极限，误差条按√(2kf / (NΔk))缩放，其中kf为基模频率，N为成对数量。
• 紫外背景衰减长度r₀随红移呈准指数下降，导致平均光学厚度ȶ随红移增加而迅速上升。
• 类星体光度函数的外推表明，即使在z ≈ 6时，类星体也可能对紫外背景贡献不可忽视的份额，暗示Γ存在显著空间涨落。
• 紫外背景涨落会提高基于均匀背景假设的光学厚度估计值，从而提升所需电离率，并影响对源发射率的约束。
• 蒙特卡洛模拟显示，尽管通量的一阶分布相对不受影响，但在高红移时，当紫外背景非均匀时，两点统计量（相关函数与功率谱）表现出明显差异。