[论文解读] HERA bound on x-ray luminosity when accounting for population III stars

Hovav Lazare, Debanjan Sarkar+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

Superconducting and THz Device Technology被引用 5

一句话总结

该论文通过在21-cm信号模拟中引入孕育第三星族恒星的分子冷却星系（MCGs），重新审视了HERA对软 band X射线光度每单位恒星形成率（L_X<2keV/SFR）的约束。利用机器学习代理模型和MCMC推断，研究发现引入MCGs可降低对高X射线光度的需求，从而削弱了此前对L_X<2keV/SFR ≲ 10^39.5 erg s⁻¹ M☉⁻¹ yr⁻¹的强烈排他性，使其与本地X射线源的观测值趋于一致。

ABSTRACT

Recent upper bounds from the Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) on the cosmological 21-cm power spectrum at redshifts $z \approx 8, 10$, have been used to constrain $L_{ m X&lt;2 \, keV}/{ m SFR}$, the soft-band X-ray luminosity measured per unit star formation rate (SFR), strongly disfavoring values lower than $\approx 10^{39.5} \, { m erg} \;{ m s}^{-1} \;{ m M}_{\odot}^{-1} \;{ m yr}$. This conclusion is derived from semi-numerical models of the 21-cm signal, specifically focusing on contributions from atomic cooling galaxies that host PopII stars. In this work, we first reproduce the bounds on $L_{ m X&lt;2 \, keV}/{ m SFR}$ and other parameters using a pipeline that combines machine learning emulators for the power spectra and the intergalactic medium characteristics, together with a standard Markov chain Monte Carlo parameter fit. We then use this approach when including molecular cooling galaxies that host PopIII stars in the cosmic dawn 21-cm signal, and show that lower values of $L_{ m X&lt;2 \, keV}/{ m SFR}$ are hence no longer strongly disfavored. The revised HERA bound does not require high-redshift X-ray sources to be significantly more luminous than high-mass X-ray binaries observed at low redshift.

研究动机与目标

• 重新评估z ≈ 8和10时HERA对21-cm功率谱的上限约束，该约束此前对低L_X<2keV/SFR值持强烈排斥态度。
• 探究包含孕育第三星族恒星的分子冷却星系（MCGs）是否会影响对单位SFR下X射线光度的推断约束。
• 开发并验证用于21-cm功率谱、光学深度（τ_e）和中性氢分数（x_HI）的机器学习代理模型，以加速贝叶斯参数推断。
• 证明此前对低L_X<2keV/SFR值的强烈排斥主要源于忽略了MCG的贡献，而MCG可在宇宙黎明期间显著改变21-cm信号。

提出的方法

• 开发基于神经网络的机器学习流程，用于将21-cm功率谱、τ_e和x_HI作为宇宙学与天体物理参数的函数进行代理建模。
• 使用拉丁超立方采样法从约20,000次模拟中采样参数，并将输入归一化至[-1, 1]区间以提升稳定性。
• 采用具有ReLU激活函数、批量归一化、10%丢弃率（dropout）和Sigmoid输出的信号分类器，以区分z ≈ 8和10时的高功率与低功率21-cm信号。
• 将代理模型与标准马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样器集成，对L_X<2keV/SFR参数执行贝叶斯推断。
• 通过对比包含与不包含MCGs的模拟结果，直接评估MCG贡献对HERA约束的影响。
• 使用Adam优化器最小化损失函数，结合早停法与衰减学习率策略，最终保留性能最佳的模型权重。

Figure 1: Marginalized posteriors for $L_{\rm X<2\,keV}/{\rm SFR}$ , with ( blue and without ( orange ) HERA and with ( solid ) and without ( dashed ) molecular cooling halos (MCGs). With the inclusion of MCGs, the preference for strong X-ray heating weakens.

实验结果

研究问题

• RQ1 在21-cm信号模型中引入孕育第三星族恒星的分子冷却星系（MCGs）是否会影响HERA对L_X<2keV/SFR的约束？
• RQ2 机器学习代理模型能否以足够精度再现21-cm功率谱及相关全局量（τ_e、x_HI），以支持宇宙学推断？
• RQ3 当MCGs被纳入21-cm信号模型时，与仅包含原子冷却星系（ACGs）的模型相比，L_X<2keV/SFR的边际后验分布如何变化？
• RQ4 MCGs在多大程度上降低了为匹配HERA对21-cm功率谱上限而对单位SFR所需X射线光度的需求？
• RQ5 当MCG贡献被正确考虑时，此前对L_X<2keV/SFR ≲ 10^39.5 erg s⁻¹ M☉⁻¹ yr⁻¹的强烈排斥是否依然稳健？

主要发现

• 引入孕育第三星族恒星的分子冷却星系（MCGs）显著削弱了对低L_X<2keV/SFR值的排斥，这些值此前曾以高显著性被排除。
• 修正后的HERA约束允许L_X<2keV/SFR ≲ 10^39.5 erg s⁻¹ M☉⁻¹ yr⁻¹，而无需假设X射线源的光度超过本地大质量X射线双星的水平。
• 用于21-cm功率谱、τ_e和x_HI的机器学习代理模型表现出高精度，中位损失值低于1%，且16th–84th百分位区间表明性能稳健。
• MCMC流程中使用的信号分类器准确率超过97%，确保了对高功率与低功率21-cm信号区别的可靠性。
• 当MCGs被纳入时，L_X<2keV/SFR的后验分布向更低值移动，表明MCGs可通过足够加热与电离作用解释观测数据，而无需极端X射线光度。
• 本研究证明，忽略MCGs会导致对原子冷却星系所需X射线效率的高估，凸显了在21-cm建模中纳入早期恒星形成的重要性。

Figure 2: Emulator loss statistics on the testing sets, of size $\sim$ 650 signals for each band. The box represents all the samples that fall between the 25th and the 75th percentile, and the line in the middle of it is the median. The black circles are outliers that extend beyond the 95th percenti