[论文解读] Interpretation of 21 cm Auto Power Spectrum Measurement at $z\sim 1$ by the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment

CHIME Collaboration, Mandana Amiri+22 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2026

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 0

一句话总结

该论文提出两种方法来解释 CHIME 在 z ~ 1 时的 21 cm 自功率谱：对 HI 的参量幅度模型，以及与 IllustrisTNG 模拟预测的比较，包括通过 CHIME 流水线的前向建模。

ABSTRACT

Observations with the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) have been used to measure the 21 cm intensity mapping auto power spectrum, at $z\sim 1$, over a frequency range from 608.2 MHz to 707.8 MHz at wavenumbers $0.4~h~{ m Mpc}^{-1} \lesssim k \lesssim 1.5~h~{ m Mpc}^{-1}$. In this paper, we present the results of two different approaches to interpreting this measurement. In the first approach, we use a parametric power spectrum model to constrain an amplitude parameter, defined as $\mathcal{A}^2_{ m HI} \equiv 10^6 Ω_{ m HI}^2(b^2_{ m HI}+\langle f μ^2 angle)^2$, where $Ω_{ m HI}$ is the cosmological density parameter for atomic hydrogen ($ m HI$), $b_{ m HI}$ is the linear bias for $ m HI$, and $\langle f μ^2 angle$ incorporates the dominant large-scale impact of redshift-space distortions on the angle-averaged power spectrum. Imposing an additional prior on either $Ω_{ m HI}$ or $b_{ m HI}$, based on values in the literature, allows us to break the pairwise degeneracy between those two parameters. In the second approach, we compare CHIME's measurement with predictions for the power spectrum of $ m HI$ from the IllustrisTNG simulations, finding that the measurement disagrees with the TNG100 run at $3.1σ$ and the TNG300 run at $4.0σ$. This disagreement is most likely attributable to the strength of nonlinear redshift-space clustering of $ m HI$ in the simulations, rather than the total abundance of $ m HI$, and invites further investigation of the physical processes in the simulations that determine the behavior of $ m HI$ at nonlinear scales. These results exemplify the ability of 21 cm intensity mapping to provide astrophysical information using measurements at nonlinear scales.

研究动机与目标

• 使用 21 cm 强度映射在 z ~ 1 时研究 HI 分布及其非线性尺度的动机。
• 发展一个对 P21(k, mu, z) 的参量功率谱模型，使 HI 丰度与偏差分离。
• 量化 HI 密度、HI 偏差与非线性/红移空间扭曲参数之间的简并性。
• 通过前向建模流水线评估 CHIME 测量结果与 IllustrisTNG HI 功率谱的一致性。

提出的方法

• 定义带模板和平均亮度温度项的参量 21 cm 功率谱模型 P21(k, mu; z)。
• 引入有效幅度 A_HI^2 = 10^6 Omega_HI^2 (b_HI^2 + <f mu^2>)^2，以边缘化 Omega_HI 与 b_HI 之间的简并性。
• 使用带六个模板项和 FoG 阻尼函数的前向建模来考虑 CHIME 转移函数和流水线效应。
• 将 Pm(k,z) 计算为线性与非线性物质功率谱的组合，并用插值参数 alpha_NL 进行插值。
• 通过 Kaiser 项和具有自由参数 alpha_FoG 的 Lorentzian FoG 阻尼来引入红移空间扭曲。
• 用贝叶斯方法拟合模型，探索先验并在 IllustrisTNG 模拟数据上进行验证。

Figure 1: Upper panel : Template-based prediction for the observed 21 cm power spectrum, evaluated at a representative point in parameter space, along with the 6 terms that are summed together to produce this prediction. Each term is computed by generating simulated visibilities with a specific inpu

实验结果

研究问题

• RQ1 在包括非线性尺度时，CHIME 在 z ~ 1 时的 21 cm 自功率谱如何约束 HI 密度参数和 HI 偏差？
• RQ2 CHIME 暗示的 HI 聚簇幅度是多少，关于 Omega_HI 或 b_HI 的先验如何影响它们的推断值？
• RQ3 把 CHIME 流水线通过后，IllustrisTNG 对 HI 功率谱的预测是否与测量结果一致？
• RQ4 非线性红移空间扭曲和 FoG 效应在多大程度上影响对 CHIME 数据的解读？
• RQ5 参量模型与前向建模方法是否对简并性和流水线转移函数鲁棒？

主要发现

• 经边缘化的幅度约束为 A_HI^2 = 3.55^{+0.96}_{-1.32} (stat.) ± 0.61 (sys.).
• 给定 z=1.16 的 b_HI(z=1.16) ~ N(1.56, 0.20^2) 的先验，Omega_HI(z=1.16) × 10^3 = 0.79^{+0.20}_{-0.16} (stat.) ± 0.07 (sys.).
• 给定 Omega_HI(z=1.16) ~ N(6.3×10^-4, 0.25^2) 的先验，b_HI(z=1.16) = 1.99^{+1.22}_{-0.74} (stat.) ± 0.23 (sys.).
• IllustrisTNG (TNG100) 的幅度为 2.38 ± 0.18 (stat.) ± 0.40 (sys.); IllustrisTNG (TNG300) 的幅度为 3.97 ± 0.30 (stat.) ± 0.67 (sys.).
• 在用最佳拟合幅度重新缩放后，TNG 的预测与 CHIME 的形状一致，表明差异在于 HI 聚簇幅度而非总 HI 丰度。
• 差异表明 CHIME 观测到的红移空间 HI 聚簇强度高于 IllustrisTNG 的预测，需进一步研究非线性 HI 物理。

Figure 2: Left panels : Dependence of our 21 cm power spectrum model on each parameter: ${\rm HI}$ density parameter $\Omega_{\scriptscriptstyle{\rm HI}}$ , linear bias $b_{\scriptscriptstyle{\rm HI}}$ , nonlinearity parameter $\alpha_{\rm NL}$ , and Finger-of-God damping parameter $\alpha_{\rm FoG}