[论文解读] Minimum size of cosmological 21-cm simulations

Harman Deep Kaur, Nicolas Gillet+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2020

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

一句话总结

本研究确定了在宇宙黎明和再电离早期（EoR）阶段准确模拟21厘米功率谱（PS）所需的最小盒子尺寸。通过在不同盒子尺寸下进行多次实现，研究发现250 Mpc的盒子尺寸是实现总噪声1σ以内收敛的必要条件，可减少PS估计中的偏差和离散度——尤其对CD时期模拟至关重要，因为200–300 Mpc的盒子平均会低估大尺度功率约7–9%。

ABSTRACT

By mapping the large-scale thermal and ionization stucture of the intergalactic medium (IGM), cosmic 21-cm interferometry is set to revolutionize our understanding of the Epoch of Reionization (EoR) and the Cosmic Dawn (CD). However, interpreting upcoming observations relies on our ability to accurately model early galaxies and their cosmic radiation fields which drive the signal. The first galaxies are likely very rare and biased, with their abundances modulated by long wavelength modes of the density field. Moreover, the radiation fields from these galaxies interact with the IGM over a large range of scales. Therefore, the limited volume of 21-cm simulations can underestimate the amount of structure in the signal. In this work we quantify the minimum box size for simulating the power spectrum (PS) of the cosmic 21-cm signal. We perform multiple realizations of the initial conditions, for a range of box sizes. We quantify convergence with respect to a mock observation of box length 1.1 Gpc, with thermal noise computed for a 1000h observation with SKA1-low. We find that simulations of box lengths 200-300 Mpc typically do not show a bias in the PS during the EoR; however, they do tend to underestimate the large-scale power during the earlier epoch of CD by ~7-9 % on average. The absolute error on the PS from small-box realizations goes up to ~7 mK^2, or analogously up to ~4 sigma of the total noise. As expected, this bias and scatter between different realizations decreases with increasing box size. We conclude that box lengths of 250 Mpc are needed to converge at the level of <~1 sigma of the total noise.

研究动机与目标

• 量化宇宙黎明和再电离早期（EoR）阶段，宇宙学21厘米模拟为实现功率谱（PS）估计收敛所需的最小盒子尺寸。
• 评估有限模拟体积对PS的偏差影响，特别是长波长密度场模式对稀有、偏置早期星系的调制作用。
• 评估盒子尺寸对PS离散度和偏差的影响，相对于SKA1-low灵敏度下1.1 Gpc的模拟观测。
• 确定PS误差降至1倍总热噪声以下的模拟体积阈值，以确保对即将开展观测的稳健解释。

提出的方法

• 在从较小尺寸到1.1 Gpc的盒子尺寸范围内，执行初始条件的多次实现，以采样21厘米信号的统计变异性。
• 对每个实现计算21厘米信号的功率谱（PS），以评估不同体积下的收敛性和离散度。
• 使用1.1 Gpc盒子和1000小时积分时间的模拟观测，基于SKA1-low定义目标信噪比水平和噪声预算。
• 量化小盒子相对于1.1 Gpc参考值的PS偏差和离散度，重点关注宇宙黎明和EoR阶段的大尺度功率。
• 应用统计比较，确定PS误差何时降至总热噪声1倍标准差以下，表明已实现充分收敛。
• 考虑长波长密度模式对不同尺度上早期星系丰度和辐射场分布的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 21厘米模拟在宇宙黎明和再电离早期阶段实现功率谱收敛所需的最小盒子尺寸是多少？
• RQ2 小尺寸模拟盒子在宇宙黎明阶段对21厘米信号的大尺度功率平均低估了多少？
• RQ3 小盒子中不同初始条件实现对功率谱离散度的影响有多大？这种影响如何随盒子尺寸变化？
• RQ4 在1000小时SKA1-low观测下，PS误差在何种盒子尺寸下降至总热噪声1倍标准差以下？
• RQ5 在小体积模拟中，PS偏差在宇宙黎明和再电离早期两个时期之间如何变化？

主要发现

• 200–300 Mpc盒子尺寸的模拟在再电离早期（EoR）阶段未表现出PS的显著偏差。
• 在更早的宇宙黎明时期，200–300 Mpc盒子平均低估大尺度功率约7–9%。
• 小盒子实现的PS绝对误差可高达约7 mK²，相当于1000小时SKA1-low观测中总热噪声的约4倍标准差。
• PS的偏差和离散度随盒子尺寸增大而减小，表明统计收敛性得到改善。
• 必须采用250 Mpc的盒子尺寸才能实现PS误差在总噪声1倍标准差以内，从而确保对即将开展观测的可靠解释。
• 本研究证实，长波长密度模式的体积效应显著影响信号结构，尤其在早期宇宙时期。