[论文解读] Line-Intensity Mapping: 2017 Status Report

Ely D. Kovetz, M. Viero+46 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 136被引用 161

一句话总结

截至2017年的线强度映射的综合概述，详细介绍理论、仪器、探测及在 CO、[CII]、Lyα、21-cm 以及在整个宇宙史中的其他线的前景，强调方法学与实验景观。

ABSTRACT

Following the first two annual intensity mapping workshops at Stanford in March 2016 and Johns Hopkins in June 2017, we report on the recent advances in theory, instrumentation and observation that were presented in these meetings and some of the opportunities and challenges that were identified looking forward. With preliminary detections of CO, [CII], Lya and low-redshift 21cm, and a host of experiments set to go online in the next few years, the field is rapidly progressing on all fronts, with great anticipation for a flood of new exciting results. This current snapshot provides an efficient reference for experts in related fields and a useful resource for nonspecialists. We begin by introducing the concept of line-intensity mapping and then discuss the broad array of science goals that will be enabled, ranging from the history of star formation, reionization and galaxy evolution to measuring baryon acoustic oscillations at high redshift and constraining theories of dark matter, modified gravity and dark energy. After reviewing the first detections reported to date, we survey the experimental landscape, presenting the parameters and capabilities of relevant instruments such as COMAP, mmIMe, AIM-CO, CCAT-p, TIME, CONCERTO, CHIME, HIRAX, HERA, STARFIRE, MeerKAT/SKA and SPHEREx. Finally, we describe recent theoretical advances: different approaches to modeling line luminosity functions, several techniques to separate the desired signal from foregrounds, statistical methods to analyze the data, and frameworks to generate realistic intensity map simulations.

研究动机与目标

• 介绍线强度映射作为一种用于绘制来自星系与IGM 的整体线发射的技术。
• 勘察涵盖宇宙学、星系形成、再电离以及暗能量等科学目标。
• 总结当前与即将投入使用的仪器的首次探测结果及实验景观。
• 讨论线强度映射的理论建模、前景分离与分析技术。
• 突出多线强度映射的机遇、挑战及未来方向。

提出的方法

• 给出带有聚类和散粒噪声分量的强度映射功率谱 Pk(z) 的基本形式化（Eq. 1.1）。
• 通过矩来联系平均线强度 ⟨I(z)⟩ 和散粒功率 Pshot(z) 与光度函数 Φ(L,z)（Eq. 1.2）的关系。
• 概述计划/在用仪器的实验景观与能力（如 COMAP、AIM-CO、TIME、SPHEREx、HERA、SKA）。
• 讨论将信号与前景和错读线分离的策略，包括互相关与掩蔽技术。
• 描述用于线光度函数的理论建模方法，以及结合水动力学与晕-分块方法的模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在线性尺度结构与在不同红移的膨胀历史中，线强度映射可以从大尺度结构和不同红移的膨胀历史中提取哪些宇宙学信息？
• RQ2 CO、[CII]、Lyα 和 21-cm 的线强度映射如何揭示恒星生成、星系演化和IGM？
• RQ3 在线强度映射中抑制前景和线性错读的最有效方法有哪些？
• RQ4 不同线之间以及与光学 surveys 的互相关如何提升探测并约束天体物理量？
• RQ5 哪些建模与模拟框架最能实现对即将到来观测的快速、现实的预测与数据解释？

主要发现

• 已经有 CO、[CII]、Lyα 以及低红移的 21-cm 的初步探测，且有多个实验在计划或在线。
• 线强度映射无需分辨单个星系即可绘制大体积宇宙图像，使得对微弱/扩展发射的探测成为可能。
• 互相关和多线方法即使在前景存在的情况下也能提供稳健的探测和丰富的天体物理信息。
• 多样的实验景观（地基与卫星概念）覆盖从 EoR 到 z≈0–2.5 的广泛红移范围，涵盖多种线（CO、[CII]、Lyα、21-cm）。
• 理论上，建模光度函数、前景抑制及高级模拟（混合水动力学+晕方法）是最大化科学收益的关键。