[论文解读] Strong 21-cm fluctuations and anisotropy due to the line-of-sight effect of radio galaxies at cosmic dawn

Sudipta Sikder, Rennan Barkana+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2023

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 4

一句话总结

本文表明，在宇宙黎明时期，来自射电星系的视线（LoS）效应由于视线方向上的射电背景各向异性，显著增强了21厘米功率谱涨落——增幅高达两个数量级，而对全局21厘米信号的影响微乎其微（约5%）。视线效应在21厘米功率谱中诱导出一种新的、可测量的各向异性，即使早期星系的射电效率仅中等增强，也能显著提升信号的可探测性。

ABSTRACT

The reported detection of the global 21-cm signal by the EDGES collaboration is significantly stronger than standard astrophysical predictions. One possible explanation is an early radio excess above the cosmic microwave background. Such a radio background could have been produced by high redshift galaxies, if they were especially efficient in producing low-frequency synchrotron radiation. We have previously studied the effects of such an inhomogeneous radio background on the 21-cm signal; however, we made a simplifying assumption of isotropy of the background seen by each hydrogen cloud. Here we perform a complete calculation that accounts for the fact that the 21-cm absorption occurs along the line of sight, and is therefore sensitive to radio sources lying behind each absorbing cloud. We find that the complete calculation strongly enhances the 21-cm power spectrum during cosmic dawn, by up to two orders of magnitude; on the other hand, the effect on the global 21-cm signal is only at the $5\%$ level. In addition to making the high-redshift 21-cm fluctuations potentially more easily observable, the line of sight radio effect induces a new anisotropy in the 21-cm power spectrum. While these effects are particularly large for the case of an extremely-enhanced radio efficiency, they make it more feasible to detect even a moderately-enhanced radio efficiency in early galaxies. This is especially relevant since the EDGES signal has been contested by the SARAS experiment.

研究动机与目标

• 研究高红移射电星系的视线（LoS）射电涨落对宇宙黎明期间21厘米信号的影响。
• 通过沿视线方向引入方向性辐射转移，克服先前模型假设射电背景各向同性的局限。
• 量化视线效应如何增强21厘米功率谱并引入新的各向异性特征。
• 在考虑前景污染和仪器限制等实际观测条件下的可探测性进行评估。
• 确定早期星系中适度的射电效率是否仍可通过视线效应产生可观测的印记，尤其是在存在争议的EDGES信号背景下。

提出的方法

• 对21厘米信号执行完整的辐射转移计算，考虑沿每条视线方向的射电背景方向依赖性，而非假设其各向同性。
• 使用半数值模拟方法建模高红移星系产生的非均匀射电背景，其中射电效率因子（f_Radio）可调。
• 计算21厘米亮度温度涨落及功率谱，并对比有无视线效应的结果。
• 提出一种新的21厘米功率谱各向异性比，以量化由视线射电涨落引起的方向依赖性。
• 对模拟的SKA类观测应用实际的观测退化处理（角分辨率、热噪声、k 空间中的前景规避）。
• 比较不同X射线能谱分布（SEDs）和射电效率水平（f_Radio 从30到3000）对信号的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 视线（LoS）方向射电背景的依赖性如何影响宇宙黎明时期的21厘米功率谱？
• RQ2 视线效应相较于各向同性背景模型，能将21厘米涨落增强多少？
• RQ3 未来实验（如SKA）能否探测到由视线效应引起的21厘米功率谱各向异性？
• RQ4 早期星系中需要多高的射电效率才能通过视线机制产生可观测的21厘米涨落？
• RQ5 视线效应如何影响全局21厘米信号，其非线性贡献有多大？

主要发现

• 由于视线方向射电源引起的定向涨落，视线（LoS）效应在宇宙黎明时期（尤其在高红移z ≈ 25时）使21厘米功率谱增强高达两个数量级。
• 即使射电效率适中（f_Radio = 30），视线效应仍可使21厘米功率谱提升5至100倍，使信号可被当前及未来仪器探测到。
• 视线效应抑制了功率谱中明显的Ly-α峰和加热峰，取而代之的是在红移范围内呈现单一的宽峰。
• 视线效应在21厘米功率谱中引入了一种新的各向异性，表现为宽红移范围内负的各向异性比，尤其在高射电效率（f_Radio = 3000）时更为显著。
• 对全局21厘米信号的影响微小——仅约5%——这是由于21厘米信号的非线性特性以及视线方向的平均效应所致。
• 尽管存在前景污染和仪器平滑效应，模拟的SKA观测显示，视线诱导的增强效应在功率谱中仍清晰可见，尤其是在空间（XY）切片中，表明其具有可观测潜力。