[论文解读] Forecasts on Interacting Dark Energy from 21-cm Angular Power Spectrum with BINGO and SKA observations

Linfeng Xiao, André A. Costa+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 92被引用 17

一句话总结

本文利用即将开展的BINGO和SKA HI强度映射巡天的21厘米角功率谱，对相互作用暗能量（IDE）进行约束预测，推导出由暗能量相互作用引起的亮度温度新贡献。研究发现，SKA1-MID Band 1+Planck可将暗能量状态方程𝑤的不确定性控制在约0.34%以内，优于Planck 2018对晚期宇宙参数的约束，尽管前景残留和ΩHI(𝑧)不确定性等系统误差显著影响精度，但通过先进校准仍可有效管理。

ABSTRACT

Neutral hydrogen (HI) intensity mapping is a promising technique to probe the large-scale structure of the Universe, improving our understanding on the late-time accelerated expansion. In this work, we first scrutinize how an alternative cosmology, interacting dark energy (IDE), can affect the 21-cm angular power spectrum relative to the concordance $\Lambda$CDM model. We re-derive the 21-cm brightness temperature fluctuation in the context of such interaction and uncover an extra new contribution. Then we estimate the noise level of three upcoming HI intensity mapping surveys, BINGO, SKA1-MID Band$\,$1 and Band$\,$2, respectively, and employ a Fisher matrix approach to forecast their constraints on the IDE model. We find that while $ extit{Planck}\,$ 2018 maintains its dominion over early-Universe parameter constraints, BINGO and SKA1-MID Band$\,$2 put complementary bounding to the latest CMB measurements on dark energy equation of state $w$, the interacting strength $\lambda_i$ and the reduced Hubble constant $h$, and SKA1-MID Band$\,$1 even outperforms $ extit{Planck}\,$ 2018 in these late-Universe parameter constraints. The expected minimum uncertainties are given by SKA1-MID Band$\,$1+$ extit{Planck}\,$: $\sim 0.34\%$ on $w$, $\sim 0.22\%$ on $h$, $\sim 0.64\%$ on HI bias $b_{ m HI}$, and an absolute uncertainty of about $3 imes10^{-4}$ ($7 imes10^{-4}$) on $\lambda_{1}$ ($\lambda_{2}$). Moreover, we quantify the effects from systematics of the redshift bin number, redshift-space distortions, foreground residuals and uncertainties on the measured HI fraction, $\Omega_{\mathrm{HI}}(z)$. Our results indicate a bright prospect for HI intensity mapping surveys in constraining IDE, whether on their own or further by synergies with other measurements.

研究动机与目标

• 研究相互作用暗能量（IDE）相较于ΛCDM模型，如何改变21厘米角功率谱。
• 利用即将开展的HI强度映射巡天（BINGO、SKA1-MID Band 1和Band 2）对IDE参数进行约束预测。
• 评估系统误差（前景残留、红移空间畸变，以及HI分数ΩHI(𝑧)的不确定性）对参数约束的影响。
• 量化HI强度映射与Planck 2018 CMB数据之间的协同效应，以提升晚期宇宙的宇宙学约束精度。

提出的方法

• 在相互作用暗能量背景下重新推导21厘米亮度温度涨落，揭示了来自相互作用项的新物理贡献。
• 基于实际观测配置和系统误差建模，估算BINGO、SKA1-MID Band 1和Band 2的巡天特异性噪声水平。
• 采用Fisher矩阵方法，对不同IDE模型下的𝑤、ℎ、𝜆𝑖、𝑏HI和ΩHI(𝑧)参数不确定性进行预测。
• 将前景残留建模为具有效率参数𝜖FG的高斯分布，以评估其对约束能力的削弱作用。
• 将时间依赖的HI分数ΩHI(𝑧) = 𝐴(1+𝑧)𝛾作为自由参数，研究其与ℎ和𝑏HI之间的退化关系。
• 结合多个巡天的预测结果与Planck 2018先验，评估协同约束效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗能量与暗物质之间的相互作用如何在标准ΛCDM模型之外改变21厘米角功率谱？
• RQ2 基于Fisher矩阵预测，BINGO和SKA1-MID巡天对IDE参数（𝑤、ℎ、𝜆𝑖、𝑏HI）的投影约束为何？
• RQ3 前景残留（𝜖FG）、红移空间畸变以及ΩHI(𝑧)的不确定性如何降低参数约束精度？
• RQ4 HI强度映射巡天（如SKA1-MID）能否在约束晚期宇宙宇宙学参数（尤其是𝑤和ℎ）方面超越Planck 2018？
• RQ5 将ΩHI(𝑧)建模为时间演化函数𝐴(1+𝑧)𝛾对暗能量和偏置参数估计精度有何影响？

主要发现

• SKA1-MID Band 1+Planck可将暗能量状态方程𝑤的1σ不确定性投影至约0.34%，优于Planck 2018对晚期宇宙参数的约束效果。
• SKA1-MID Band 1+Planck预测的归一化哈勃常数ℎ的最小不确定性约为0.22%，表明对宇宙膨胀的测量具有极高精度。
• 相互作用强度𝜆1的绝对不确定性估计为约3×10−4，𝜆2为约7×10−4，显示出对IDE耦合强度的高灵敏度。
• 前景残留效率𝜖FG ≲10−2时，参数约束精度下降不超过10%；而要接近完美前景消除，需𝜖FG ≲10−5。
• 将ΩHI(𝑧)建模为𝐴(1+𝑧)𝛾形式时，对ℎ和𝑏HI的约束影响最大，ℎ的不确定性可相对于基准情形增加至约3.8倍。
• 与Planck 2018协同可使SKA1-MID对ΩHI的测量精度达到约1.5%；对𝐴和𝛾的约束精度分别可达约0.46%和0.83%，即使考虑时间演化效应也保持较高精度。