[论文解读] Detectability of CMB Weak Lensing and HI Cross Correlation and constraints on cosmological parameters

Shoichiro Tanaka, Shintaro Yoshiura+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 5被引用 7

一句话总结

该论文提出将SKA1-mid单天线模式的21厘米强度映射与普朗克卫星的CMB弱引力透镜收敛图进行互相关，以探测大尺度交叉功率谱并约束宇宙学参数。研究发现，当每个频段观测1,000小时时，在红移0.0 < z < 2.0范围内，$Ω_{\text{H}_\text{I}}b$ 可实现6–13%的精度约束；而由于CMB透镜图分辨率有限，干涉仪模式并未带来显著改进。

ABSTRACT

Neutral hydrogen (H$_{ m I}$) intensity mapping is capable of measuring redshift evolution of H$_{ m I}$ density parameter $Ω_{ m H_{ m I}}$, which is an important parameter to understand structure formation in the post-reionization epoch. Future H$_{ m I}$ observation with Square Kilometre Array (SKA) can significantly improve constraints on the parameter. However, the observation of H$_{ m I}$ suffers from the contamination from extremely bright foreground emissions, and it is necessary to consider a signal validation method complementary to the measurement of H$_{ m I}$ auto power spectrum. In this work, we propose to take a cross correlation between a 21cm-line intensity map and a convergence map reconstructed from observation of the cosmic microwave background by Planck and estimate expected ideal constraints on cosmological parametersby ignoring the foreground contamination. We find that the SKA1-mid operated in single-dish mode has a sufficient capability to detect the cross correlation on the large scales. Further, by Fisher analysis assuming a constant linear bias of H$_{ m I}$, $b$, and SKA1-mid observation of 1,000 hours for each of Band 1 and 2, we show that $Ω_{ m H_{ m I}} b$ can be constrained with a precision of $6-13\%$ at a wide range of redshifts of $0.0

研究动机与目标

• 评估21厘米强度映射与CMB弱引力透镜收敛图之间交叉相关性的可探测性。
• 通过Fisher分析评估对宇宙学参数（特别是$\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$）的约束能力。
• 确定SKA1-mid最优观测模式（单天线模式与干涉仪模式）以实现最佳参数约束。
• 研究仪器噪声与观测策略对信号可探测性的影响。
• 探讨利用CMB透镜交叉相关作为H I分布前景无关探针的可行性。

提出的方法

• 将SKA1-mid单天线模式的21厘米强度图与普朗克温度各向异性反演得到的CMB收敛图进行互相关。
• 采用Fisher矩阵分析预测对$\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$、$\Omega_{\text{c}}h^2$、$n_s$ 和 $H_0$ 的约束，其中后三者固定为普朗克值。
• 对SKA1-mid（单天线模式与干涉仪模式）及普朗克收敛图的仪器噪声进行建模。
• 在大尺度上采用H I与暗物质涨落之间的恒定线性偏置模型$b$。
• 通过不同多极矩范围与观测配置下的信噪比（S/N）计算估计灵敏度。
• 通过改变每一点的积分时间与观测面积，评估观测策略对结果的影响，尤其针对干涉仪模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用SKA1-mid与普朗克数据探测到21厘米-CMB透镜交叉功率谱？其显著性水平如何？
• RQ2 该交叉相关方法在约束$\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ 方面可达到多高的精度？
• RQ3 考虑到普朗克收敛图的角分辨率限制，SKA1-mid的干涉仪模式是否能显著改善对$\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ 的约束？
• RQ4 观测参数（如每一点的积分时间与观测面积）如何影响交叉相关性的可探测性与S/N？
• RQ5 恒定线性偏置假设对参数约束的影响程度如何？该假设可否被缓解？

主要发现

• 利用SKA1-mid单天线模式与普朗克收敛图，在大尺度（$\ell \lesssim 200$）上，总信噪比大于7，可探测到21厘米-CMB透镜交叉功率谱，覆盖红移0.0 < z < 2.0范围。
• 当每个频段（Band 1与Band 2）观测1,000小时时，在红移$z = 0.5$与$z = 1.5$处，$\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ 可实现6–13%的精度约束。
• 由于普朗克收敛图的角分辨率有限，SKA1-mid干涉仪模式在$\Omega_{\text{H}_\text{I}}b$ 约束方面并未带来显著改进。
• 小尺度交叉相关（如$\ell \gtrsim 300$）在1,000小时干涉仪积分下仅达到$S/N \sim O(1)$，表明其可探测性极低。
• 绝大部分宇宙学信息来自Band 1的1,000小时单天线模式观测，Band 2与干涉仪模式贡献甚微。
• 在恒定线性偏置模型假设下结果稳健，该假设在大尺度上成立；研究还表明，未来更高分辨率的CMB透镜图有望提升小尺度约束能力。