[论文解读] Velocity-induced Acoustic Oscillations at Cosmic Dawn

Julián B. Muñoz|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 6

一句话总结

本文介绍了21cmvFAST，即21cmFAST代码的增强版本，该版本引入了暗物质与重子之间的相对速度，以模拟宇宙黎明期间21厘米功率谱中的速度诱导声波振荡（VAOs）。研究证明，这些VAOs在即将到来的HERA干涉仪中可产生一种独特且可解析计算的调制模式，为原初声学物理提供独特探测手段。

ABSTRACT

The redshifted 21-cm line of hydrogen holds great potential for the study of cosmology, as it can probe otherwise unobservable cosmic epochs. In particular, measurements of the 21-cm power spectrum during cosmic dawn---the era when the first stars were formed---will provide us with a wealth of information about the astrophysics of stellar formation, as well as the origin of fluctuations in our Universe. In addition to their usually considered density fluctuations, dark matter and baryons possess large relative velocities with respect to each other, due to the baryon acoustic oscillations (BAOs) suffered by the latter, which suppress the formation of stars during cosmic dawn, leaving an imprint on 21-cm observables during this era. Here we present 21cmvFAST, a version of the publicly available code 21cmFAST modified to account for this effect. Previous work has shown that the inclusion of relative velocities produces an acoustic modulation on the large-scale 21-cm power spectrum during cosmic dawn. By comparing analytic calculations with simulations from 21cmvFAST, here we demonstrate that this modulation takes the form of striking velocity-induced acoustic oscillations (VAOs), both during the Lyman-$\alpha$ coupling era and the subsequent epoch of heating. The unique shape of these VAOs, which is determined by the acoustic physics that generated the relative velocities, can be analytically computed and is easily distinguishable from the usual density-sourced fluctuations. We find that, under a broad range of astrophysical assumptions, the VAOs are detectable at high significance by the upcoming HERA interferometer, which could therefore confirm the presence of acoustic oscillations at cosmic dawn.

研究动机与目标

• 建模宇宙黎明期间暗物质与重子之间相对速度对21厘米观测量的影响。
• 研究重子声波振荡（BAOs）如何抑制恒星形成，并在21厘米功率谱中留下特征信号。
• 开发并验证21cmvFAST，即包含相对速度效应的21cmFAST改进版本。
• 证明速度诱导声波振荡（VAOs）在21厘米功率谱中产生一种独特且可解析区分的信号。

提出的方法

• 扩展21cmFAST代码，以在宇宙黎明期间包含暗物质与重子之间的相对速度效应。
• 引入重子声波振荡（BAOs）的物理机制，以建模相对速度场。
• 利用21cmvFAST进行高分辨率模拟，计算21厘米亮度温度涨落。
• 将模拟结果与解析计算进行比较，以验证速度诱导声波振荡（VAOs）的存在及其形状。
• 分析大尺度21厘米功率谱，以在莱曼-α耦合时期和后续加热时期中分离出VAO特征。
• 在各种天体物理假设下，评估HERA干涉仪对VAOs的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗物质与重子之间的相对速度如何调制宇宙黎明期间的21厘米功率谱？
• RQ2 21厘米信号中速度诱导声波振荡（VAOs）的独特形状及其起源是什么？
• RQ3 VAOs是否可以被解析计算，并与21厘米功率谱中由密度引起的涨落区分开来？
• RQ4 在何种天体物理条件下，VAOs可被HERA干涉仪探测到？
• RQ5 VAOs在莱曼-α耦合时期及后续加热时期如何演化？

主要发现

• 速度诱导声波振荡（VAOs）在宇宙黎明期间的大尺度21厘米功率谱中表现为一种独特且可解析计算的调制。
• VAO特征源于重子声波振荡（BAOs）的声学物理机制，并由相对速度场独特塑造。
• 在广泛的天体物理假设下，VAOs可被即将启用的HERA干涉仪以高显著性探测到。
• 由于其独特的频率和相位特性，VAO模式可与标准密度源涨落区分开来。
• VAO信号贯穿莱曼-α耦合时期和后续加热时期持续存在，为早期相对速度动力学提供连续探测。
• 21cmvFAST代码成功再现了VAO信号，证实了其稳健性和在未来21厘米宇宙学研究中的实用性。