[论文解读] Streaming Velocity Effects on the Post-reionization 21 cm Baryon Acoustic Oscillation Signal

Heyang Long, Jahmour J. Givans+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 94被引用 11

一句话总结

本文研究了在红移 3.5 ≤ z ≤ 5.5 的再电离后 21 cm 强度测绘信号中，重子与暗物质之间的原初相对速度如何扭曲重子声学振荡（BAO）尺度。通过采用考虑相对速度对滤波质量与再电离历史影响的空间调制晕模型，作者发现相对速度导致负的偏差系数（bv ≈ -0.0043 至 -0.0273），使 BAO 尺度在横向方向拉伸 0.121–0.350%，在径向方向拉伸 0.167–0.505%，超过未来第二阶段 21 cm 巡天每 ∆z = 0.5 每箱 0.13% 的精度预测，因此在宇宙学分析中必须进行校正。

ABSTRACT

The relative velocity between baryons and dark matter in the early Universe can suppress the formation of small-scale baryonic structure and leave an imprint on the baryon acoustic oscillation (BAO) scale at low redshifts after reionization. This "streaming velocity" affects the post-reionization gas distribution by directly reducing the abundance of pre-existing mini-halos ($\lesssim 10^7 M_{\bigodot}$) that could be destroyed by reionization and indirectly modulating reionization history via photoionization within these mini-halos. In this work, we investigate the effect of streaming velocity on the BAO feature in HI 21 cm intensity mapping after reionization, with a focus on redshifts $3.5\lesssim z\lesssim5.5$. We build a spatially modulated halo model that includes the dependence of the filtering mass on the local reionization redshift and thermal history of the intergalactic gas. In our fiducial model, we find isotropic streaming velocity bias coefficients $b_v$ ranging from $-0.0043$ at $z=3.5$ to $-0.0273$ at $z=5.5$, which indicates that the BAO scale is stretched (i.e., the peaks shift to lower $k$). In particular, streaming velocity shifts the transverse BAO scale between 0.121% ($z=3.5$) and 0.35% ($z=5.5$) and shifts the radial BAO scale between 0.167% ($z=3.5$) and 0.505% ($z=5.5$). These shifts exceed the projected error bars from the more ambitious proposed hemispherical-scale surveys in HI (0.13% at $1\sigma$ per $\Delta z = 0.5$ bin).

研究动机与目标

• 量化原初重子-暗物质相对速度对再电离后 21 cm BAO 信号的影响。
• 建立模型以分析相对速度如何改变滤波质量与再电离历史，从而影响可观测的 21 cm 功率谱。
• 评估由相对速度引起的 BAO 偏移是否超过未来第二阶段 21 cm 强度测绘巡天的统计误差预算。
• 评估相对速度作为系统误差相对于非线性演化与星系形成效应的重要性。

提出的方法

• 开发了一种空间调制晕模型，纳入了局部再电离红移与星际介质热历史对相对速度的依赖性。
• 计算了滤波质量随相对速度的变化，考虑了小尺度结构的抑制与再电离反馈的改变。
• 通过建模 BAO 峰位置在径向与横向方向的位移，推导出相对速度的偏差系数 bv。
• 使用基准宇宙学参数与模拟晕星系目录，在红移 3.5 ≤ z ≤ 5.5 范围内计算了 bv。
• 将预测的 BAO 偏移与拟议的第二阶段 PUMA 21 cm 强度测绘实验每 ∆z = 0.5 每箱 0.13% 的误差预算进行比较。
• 在简化假设下评估结果的稳健性，包括局部再电离建模，以及忽略 X 射线加热或第三星族恒星形成反馈。

实验结果

研究问题

• RQ1 重子与暗物质之间的相对速度如何影响滤波质量与星际介质中再电离后中性气体的分布？
• RQ2 在 z ≈ 3.5–5.5 时，相对速度在 21 cm 强度测绘中对 BAO 尺度的扭曲程度如何？与未来巡天的预期统计精度相比如何？
• RQ3 相对速度对 BAO 信号的直接影响（结构抑制）与间接影响（再电离历史调制）各自贡献如何？
• RQ4 与非线性演化和星系形成等其他理论系统误差相比，相对速度引起的 BAO 偏移在量级上如何？

主要发现

• 相对速度导致负的偏差系数 bv，范围从 z = 3.5 时的 -0.0043 到 z = 5.5 时的 -0.0273，表明 BAO 尺度被拉伸。
• 径向 BAO 尺度在 z = 3.5 时偏移 0.167%，在 z = 5.5 时最大达 0.505%，超过拟议的第二阶段 PUMA 巡天每 ∆z = 0.5 每箱 0.13% 的误差预算。
• 横向 BAO 尺度在 z = 3.5 时偏移 0.121%，在 z = 5.5 时最大达 0.350%，同样超过预期的巡天精度。
• 在高红移时，相对速度对滤波质量的直接影响占主导地位；而在低红移时，通过再电离历史调制的间接影响变得更为显著。
• 相对速度引起的 BAO 偏移量级与非线性演化和星系形成引起的偏移相当，而后者已知可通过重建技术减小。
• 本研究指出，未来 21 cm 强度测绘实验必须对相对速度效应进行校正，以避免宇宙学参数估计产生偏差。