Nyx: A Massively Parallel AMR Code for Computational Cosmology
我们提出了一个新的N体和气体动力学代码,称为Nyx,大尺度宇宙学模拟。尼克斯遵循时间演化系统的离散暗物质粒子引力耦合到一个无粘理想流体在一个不断膨胀的宇宙。气体是先进的欧拉框架与块结构的自适应网格细化(AMR)的粒子网格(PM)计划使用相同的网格层次结构来解决自重力和先进的粒子。计算结果表明验证Nyx的标准宇宙学测试问题,和Nyx的缩放行为,以50,000核心,提出。
2013-01-18 astro-ph.CO astro-ph.IM
Quantum Cosmology as a Hydrogen atom: Discrete $Λ$ and cyclic Universes from Wheeler-DeWitt quantization
Indian Institute of Technology Bombay(印度理工学院孟买分校)
该研究通过量子宇宙学与氢原子的类比,揭示了负宇宙学常数下宇宙的离散谱和循环结构,解决了大爆炸和大坍缩奇点问题。
2026-01-28 astro-ph.CO gr-qc hep-th
21 cm cosmology and spin temperature reduction via spin-dependent dark matter interactions
EDGES低波段实验测量了宇宙微波背景辐射(CMB)的吸收特征,对应于宇宙再电离时代之前氢原子在红移$z \simeq 17$处的21 cm超精细跃迁。这种吸收的幅度与氢气中的单重态和三重态超精细态的比率有关,这可以通过自旋温度来参数化。EDGES结果表明,自旋温度低于CMB和氢气的预期温度。已经提出了各种机制来解释这个信号,例如通过暗物质相互作用降低氢气的动力学温度。我们引入了另一种机制,通过这种机制,亚GeV的暗物质粒子与核子或电子的自旋相关耦合可以引起超精细跃迁并直接降低自旋温度,而氢气的动力学温度的降低可以忽略不计。我们考虑一个非对称暗物质费米子和一个轻赝矢量介质的模型。这个简单的模型排除了自旋温度的显着降低,最强烈的是来自恒星冷却的耦合常数界限。也许另一种暗扇区模型,受到不同的约束,可以通过相同的机制降低自旋温度。
2019-05-23 astro-ph.CO
Moving mesh cosmology: the hydrodynamics of galaxy formation
我们提出了一个详细的比较著名的SPH代码GADGET和新的动网格代码AREPO的一些水动力试验问题。通过各种数值实验,我们建立了一个明确的联系,测试问题和系统的数值效应在宇宙学模拟的星系形成。我们的测试表明SPH方法在几个部门的缺陷。这些精度问题不仅在理想化的流体动力学测试中表现出来,而且还传播到更现实的星系形成模拟设置中,最终影响整个宇宙学框架中的气体性质,正如Vogelsberger等人(2011)和Keres等人(2011)的论文所强调的那样。我们发现,在GADGET流体不稳定性的治疗不足,抑制熵产生的混合,低估了涡产生弯曲的冲击,并防止有效的气体剥离下降的子结构。在由内而外盘形成的理想测试中,由于虚假的角动量传输,GADGET中气体盘尺寸的收敛速度要慢得多。在模拟中,我们遵循形成中心盘和轨道子结构之间的相互作用,在晕,最终盘形态是惊人的不同。在AREPO中,来自下落子结构的气体很容易被耗尽并被并入宿主晕大气中,促进了扩展中心盘的形成。相反,气体子块在GADGET模拟中更连贯,在形态上改变了磁盘,因为它们影响它。SPH求解器的数值伪影对于分辨率差的流特别严重,因此不可避免地影响宇宙学模拟,由于它们的分层性质。我们的数值实验清楚地表明,AREPO提供了一个物理上更可靠的解决方案。
2012-06-13 astro-ph.CO
A New Constraint on the Simulation of the Intergalactic Medium through the Evolution of the Neutral Hydrogen Fraction in the Epoch of Reionization
本研究利用21cmFAST模拟星系际介质,通过比较不同初始条件下中性氢分数演化与观测数据,排除了大量模型,仅保留少数高精度符合观测的模拟,从而对热历史关键参数施加新约束。
2023-06-22 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
HIR4: cosmology from a simulated neutral hydrogen full sky using Horizon Run 4
宇宙中性氢的分布将为下一代射电望远镜和巡天观测宇宙的大尺度结构提供一个新的窗口。通过21厘米线发射对这种物质的观测,会被相同频率的前景发射所混淆。即使在这些前景被移除之后,重建的地图也可能与原始宇宙学信号不完全匹配,这将在测量的相关性中引入系统误差和偏移。在本文中,我们模拟未来的调查中性氢使用地平线运行4(HR4)宇宙学N体模拟。我们从HR4晕目录中生成HI强度图,并与全球天空模型的前景无线电发射图相结合,以创建整个天空的精确模拟。我们模拟HI天空的频率范围为700 - 800兆赫,匹配的灵敏度天籁探路者。我们测试了快速ICA,PCA和对数多项式拟合前景去除方法恢复输入宇宙学角功率谱和测量参数的准确性。我们的调查噪声水平和光束大小恢复的宇宙学约束的效果。我们发现,虽然重建从大尺度上的宇宙学21厘米分布中去除了功率,但我们可以对此进行校正,并在无噪声的情况下恢复输入参数。然而,噪声和光束尺寸的影响,天籁探路者阻止精确恢复的宇宙学参数时,只使用强度映射信息。
2020-08-27 astro-ph.CO
Moving mesh cosmology: characteristics of galaxies and haloes
我们讨论的宇宙学流体动力学模拟的星系形成与新的移动网格代码AREPO,这承诺更高的精度相比,传统的SPH技术,已被广泛用于这个问题。我们使用一套相同的物理在相应的模拟进行了测试良好的SPH代码GADGET,也采用相同的高分辨率重力求解器。因此,我们能够比较两个模拟集上的对象,对象的基础上,使我们能够干净地隔离不同的流体动力学方法对星系和晕属性的影响。在随附的论文中,我们重点分析了模拟代码预测的全局重子统计数据(Vogelsberger等人,2011)以及强调流体动力学方案之间差异的补充理想化模拟(Sijacki等人,2011)。在这里,我们研究它们对模拟星系及其周围晕的重子性质的影响。我们发现,AREPO导致显着更高的恒星形成率的星系在大规模的晕和更广泛的气体盘在星系中,这也具有更薄,更光滑的形态比他们的GADGET同行。因此,在AREPO中形成的星系比它们的SPH对应星系具有更大的尺寸和更高的比角动量。AREPO中更有效的冷却流在晕中心产生更高的密度和更低的熵(在晕外围则相反),导致大质量星系的恒星形成率更高。虽然这两个代码同意接受的准确度上的一些重子性质的宇宙结构,我们的研究结果清楚地表明,星系形成模拟大大受益于使用更准确的流体力学技术,如AREPO。
2012-07-23 astro-ph.CO
Quantifying distortions of the Lagrangian dark-matter mesh in cosmology
我们研究了位移场的拉格朗日散度,这可以说是一个比宇宙学大尺度结构的拉格朗日描述中的密度更自然的对象。这个量,我们记为λ,量化了宇宙中最初均匀的暗物质粒子晶格的拉伸和扭曲。密度编码类似的信息,但对应关系有微妙之处。它比超密度δ更好地对应于对数密度A。在δ中,我们发现在许多情况下偏度进一步增加3。Bernardeau发现的基于局部球坍缩(SC)的拟合给出了一个计算粒子行为的公式,该公式工作得很好,比在一阶或二阶(2LPT)应用拉格朗日微扰理论(LPT)更好。在2LPT中,初始和最终的双折射之间存在近似抛物线的关系,这可能会在深空中产生过密度,因此应谨慎使用低红移,高分辨率的2LPT实现。SC拟合在预测流交叉之前的最大值方面表现出色;然后,对于形成晕的粒子,最大值就像瀑布一样骤降到-3。这给出了一种产生N粒子实现的新方法。与LPT实现相比,这种SC实现给出了减少的流交叉,以及与全重力结果的更好的视觉和1点PDF对应。LPT,另一方面,预测大规模的流动和大规模的功率谱振幅更好,除非经验修正添加到SC公式。
2012-09-18 astro-ph.CO
Emulating Simulations of Cosmic Dawn for 21cm Power Spectrum Constraints on Cosmology, Reionization, and X-ray Heating
目前和即将进行的射电干涉测量实验的目标是对宇宙氢再电离和X射线加热时期的高红移21厘米波动信号进行统计表征。然而,将21 cm统计数据与基础物理参数联系起来是复杂的,因为理论上的挑战是以足够快的计算速度对相关物理进行建模,以探索高维和弱约束的参数空间。在这项工作中,我们使用机器学习算法来构建一个快速仿真器,该仿真器可以在很宽的参数空间内高精度地模拟21 cm信号的昂贵仿真。我们将我们的仿真器嵌入到马尔可夫链蒙特卡罗框架中,使其能够探索大量模型参数的后验分布,包括那些控制再电离时代,X射线加热时代和宇宙学的参数。作为一个工作的例子,我们使用我们的模拟器提出了一个更新的参数约束预测的氢时代的再电离阵列实验,表明其表征的基准21厘米功率谱将大大缩小允许的参数空间的再电离和加热参数,并可能有助于加强普朗克的约束$σ_8$。我们提供了我们的广义仿真器代码和它的实现,特别是21厘米的参数约束作为公开可用的软件。
2017-10-24 astro-ph.CO astro-ph.GA
Moving mesh cosmology: numerical techniques and global statistics
我们提出了第一个流体动力学模拟的结构形成使用新的移动网格代码AREPO和比较结果与GADGET模拟的基础上,传统的光滑粒子流体动力学(SPH)技术。这两个代码共享相同的Tree-PM重力求解器,包括相同的亚分辨率物理,但采用不同的方法来求解流体力学方程。这使我们能够评估水解算器的不确定性对星系形成的宇宙学研究结果的影响。在我们介绍了我们的模拟套件和数值方法之后,我们专注于全球重子统计的预测,例如宇宙恒星形成率密度。Keres等人(2011年)研究了单个星系和晕的特性,而Sijacki等人(2011年)的第三篇论文使用理想化模拟来分析流体动力学方案之间的差异。我们发现两种模拟方法的全局重子统计数据存在显着差异。AREPO显示出更高的恒星形成率,在较晚的时候,较低的平均温度,和不同的气体质量分数的星系际介质的特征阶段,特别是减少量的热气体。虽然这两个代码使用相同的实施冷却,更多的气体冷却的光环在AREPO相比,GADGET对低红移。我们表明,这是由于较高的加热速率与SPH在晕的外部部分,由于粘性耗散SPH的固有的声速噪声和SPH的有效阻尼的亚音速湍流注入晕的下落区域,并因为在AREPO的气体剥离的效率较高。由于这种差异,AREPO也导致更多的盘状形态相比GADGET。我们的研究结果表明,流体动力学求解器的不准确性可能会导致比较大的系统差异。
2012-06-25 astro-ph.CO
Moving mesh cosmology: tracing cosmological gas accretion
我们调查的性质气体吸积到晕和星系在z=2使用宇宙流体动力学模拟运行与移动网格代码AREPO。实施蒙特卡罗示踪粒子计划,以确定吸积气体的起源和热力学历史,我们进行定量比较,否则相同的模拟运行的平滑粒子流体动力学(SPH)代码GADGET-3。对比这两种数值方法,我们发现在10^10.5太阳质量以上的晕中,吸积气体的热力学历史存在显著的物理差异。与以前的工作一致,GADGET模拟显示了一个冷分数接近团结的星系形成在大规模的晕,这意味着只有一小部分的吸积气体加热到一个可观的分数的维里温度吸积过程中。在AREPO中的相同星系显示出更低的冷分数,在10^11太阳质量以上的晕中<20%。这是由于热气体吸积率,在这个相同的晕质量,是一个数量级大于GADGET,而冷吸积率也较低。这些差异增加了更大规模的系统,我们解释这两个由于数值不准确的标准制定的SPH。我们还观察到,在晕质量约为10^11时,从冷模到热模的相对急剧的转变主导了吸积,这是将过去的气体温度与一个与维里温度无关的恒定阈值进行比较的结果。检查吸积气体的空间分布,我们发现,气体细丝在GADGET往往保持准直和流动相干到小半径,或人为的碎片,并形成大量的纯数字的“斑点”。在AREPO中,类似的气流在0.25-0.5维里半径处显示出增加的加热和破坏,并以不同于经典冷却流的方式对热气体吸积速率作出贡献。
2013-01-28 astro-ph.CO
DISCO-DJ II: a differentiable particle-mesh code for cosmology
University of Vienna(维也纳大学);Department of Astrophysics, Türkenschanzstraße 17, 1180 Vienna, Austria(天体物理系);Department of Mathematics, Oskar-Morgenstern-Platz 1, 1090 Vienna, Austria(数学系)
DISCO-DJ II是一种用于宇宙学的可微粒子-网格代码,通过高保真度的GPU加速模拟和可微分方法,实现对大尺度结构的高精度预测和推断。
2025-10-06 astro-ph.CO astro-ph.IM
A direct detection of neutral hydrogen intensity mapping on Mpc scales at $z\approx 0.32$ and $z\approx 0.44$
The University of Manchester(曼彻斯特大学);University of the Western Cape(西开普敦大学);McGill University(麦吉尔大学);The University of Edinburgh(爱丁堡大学);South African Radio Observatory (SARAO)(南非射电天文台)
利用MeerKAT射电望远镜的L波段干涉观测,通过前景回避方法独立测量了红移0.32和0.44处的中性氢功率谱,最高显著性达9.18σ,为新一代射电望远镜进行HI强度映射精密宇宙学迈出重要一步。
2026-06-24 astro-ph.CO astro-ph.GA
Neutral hydrogen in the post-reionization universe
中性氢的跨红移演化是研究宇宙学、宇宙大尺度结构和星系际介质的有力工具。使用数据驱动的晕模型来描述HI在后再电离宇宙中的分布($z \sim $ 5到0),我们从丰富的观测数据样本中获得最佳拟合参数:低红移21厘米发射线研究,中等红移强度测绘实验,和更高的红移阻尼莱曼阿尔法(DLA)的观测。我们的模型描述了丰度和集群的中性氢在红移0 - 5,是有用的,研究星系演化的不同方面,并与流体动力学模拟比较。该框架可以应用于预测未来的观测与中性氢,并扩展到强度映射的情况下,与分子和其他线跃迁在中间红移。
2017-12-04 astro-ph.CO astro-ph.GA
Mitigating Astrophysical Uncertainties in 21-cm Cosmology
本文提出结合多类高红移观测量并采用最小化建模来约束宇宙黎明21厘米信号中的天体物理不确定性,从而提升探测新物理(如毫带电暗物质)的灵敏度。
2024-08-04 astro-ph.CO
Cosmology beyond standard sirens: cross-correlation of gravitational waves and neutral hydrogen intensity mapping
Gran Sasso Science Institute (GSSI)(格兰萨索科学研究所);INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS)(意大利国家核物理研究所-格兰萨索国家实验室);Marietta Blau Institute - Austrian Academy of Sciences(玛丽亚·布劳研究所-奥地利科学院);Institute for Theoretical Particle Physics and Cosmology, RWTH Aachen University(亚琛工业大学理论粒子物理与宇宙学研究所);INAF - Institute of Radioastronomy (IRA)(意大利国家天体物理研究所-射电天文研究所);INFN, Sezione di Bologna(意大利国家核物理研究所博洛尼亚分部);Observatoire de la Côte d’Azur, Laboratoire Lagrange(蔚蓝海岸天文台拉格朗日实验室);Department of Physics & Astronomy, University of the Western Cape(西开普大学物理与天文学系);Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Cagliari(卡利亚里大学物理系);INFN, Sezione di Cagliari(意大利国家核物理研究所卡利亚里分部);INAF - Osservatorio Astronomico di Cagliari(意大利国家天体物理研究所卡利亚里天文台);INFN, Sezione di Roma(意大利国家核物理研究所罗马分部)
该研究提出利用引力波与中性氢强度映射的交叉关联作为独立宇宙学探针,结合特定探测器网络可实现对哈勃常数等宇宙学参数的高精度稳健约束。
2026-07-30 astro-ph.CO
Formation of the hydrogen line 21-cm in Dark Ages and Cosmic Dawn: dependences on cosmology and first light
本文计算黑暗时代、宇宙黎明和再电离时期氢21厘米全球差分亮温,揭示其对宇宙学参数、非标准物理及首批光源光谱能量分布的依赖。
2023-09-26 astro-ph.CO
Cosmology in One Dimension: Vlasov Dynamics
自引力系统的数值模拟通常基于N体代码,该代码求解大量相互作用粒子的运动方程。这种方法在低密度地区的统计抽样较差。相比之下,Vlasov码,通过网格化整个相空间,可以达到更高的精度,而不管密度。在这里,我们进行了一个长期存在的宇宙学问题,即牛顿引力下膨胀的爱因斯坦-德西特宇宙的分形性质的一维弗拉索夫模拟。N体的结果在高密度区域得到了证实,并扩展到低物质密度区域,在那里N体方法通常会失败。
2016-02-29 astro-ph.CO
Direct Optimal Mapping for 21cm Cosmology: A Demonstration with the Hydrogen Epoch of Reionization Array
出于对21 cm宇宙学具有明确统计特性的宽视场图像的需求,我们实现了一个最佳映射管道,该管道使用干涉测量方程计算天空的极大似然估计。我们证明了这种直接的最佳映射与氢时代的再电离(HERA)第一阶段的观测数据。在用模拟数据验证了流水线之后,我们开发了一个极大似然品质因数,用于在166 MHz和100 kHz带宽下比较四个天空模型。HERA数据与GLEAM星表的一致性<10%。在减去GLEAM点源后,HERA数据区分了不同的连续天空模型,为Byrne等人的模型提供了最大的支持。我们报告的计算成本映射的HERA第一阶段的数据和项目的HERA 320天线数据的计算,都是可行的现代服务器。该算法适用于宽视场、非共面阵等多种干涉仪。
2022-10-27 astro-ph.CO astro-ph.IM
Detecting the First Stars and Black Holes with 21-cm Cosmology
了解第一批恒星和星系的形成和演化是天文学中最令人兴奋的前沿之一。由于宇宙在早期充满了中性氢,观测第一批恒星的最有希望的方法是使用氢原子的突出的21厘米谱线。目前的观测工作集中在再电离时代(宇宙年龄t~ 5亿年),更早的时间被认为更具挑战性。然而,下一个更早的星系形成(t~ 2亿)的前沿正在成为一个有希望的观测目标。这可能是由于最近注意到的早期重子和暗物质之间显著的相对速度效应。这种速度差异明显抑制了恒星的形成。这种抑制的空间变化增强了大规模的集群,并在21厘米的强度分布中产生了一个突出的宇宙网络,其尺度为100 Mpc。这种结构使射电天文学家更容易探测到这些早期恒星,并应该推动对这个时代的新关注,这个时代充满了很少探索的天体物理学。
2014-03-11 astro-ph.CO
Cosmology and Astrophysics Using the Post-reionization HI
讨论了利用中性氢再电离后红移21厘米辐射研究宇宙的前景。本文的主要目的是突出印度科学家在这一领域的努力与SKA铭记。事实证明,SKA的强度映射调查可以帮助获得对暗能量模型的更严格约束。HI强度图与Ly $α$森林数据的互相关也可用于测量BAO尺度。
2016-10-26 astro-ph.CO
Cosmology with HI
本章介绍了利用中性原子氢(HI)进行精确宇宙学研究的理论体系,涵盖 Lyman-$α$ 和 21-cm 谱线观测,并总结了全球射电望远镜探测黑暗时代与宇宙黎明微弱信号的最新成果及宇宙演化研究前景。
2024-11-12 astro-ph.CO astro-ph.GA
Cosmology with Recombination Spectrum
精确测量宇宙复合光谱可以为观察早期宇宙提供一个全新的窗口。我们的目标是量化隐藏在宇宙复合谱中的信息,为此,我们开发了一种新的代码,遵循Ali-Haimoud和Hirata(2010),Ali-Haimoud(2013)提出的算法。我们的代码紧密基于COSMOSPEC代码[Chluba and Ali-Haimoud(2016)]。我们发现,使用Fisher信息矩阵,并假设前景可以通过使用更高或更低的频率通道和空间信息减去,超出检测将需要一个实验的灵敏度$25$倍更好的建议的实验PIXIE相比。这样的实验将能够测量宇宙学参数,其精度与CMB各向异性实验具有竞争力。最好的约束参数是重子能量密度,$Ω_{\rm b}$,原则上可以以令人难以置信的精度确定。我们还表明,氢线的形状连接到氢复合的速度,与复合线的峰值重合的复合率的峰值。一般来说,谱线的形状编码了关于作为红移函数的重组率的信息。
2019-10-31 astro-ph.CO
Cosmology from the Highly-Redshifted 21 cm Line
未来十年最令人兴奋的前景之一是探索宇宙“黑暗时代”,在此期间,宇宙中的第一批恒星形成,中性氢的21厘米线。在z>6时,这种光红移到低频无线电区域,可以用新一代的宽场阵列观察到。这些实验有可能观测到巨大的体积,并大大改善宇宙学和天体物理学的约束。在本白皮书中,我们描述了未来十年将如何看到释放这种潜力的第一步,使我们能够回答关于我们宇宙和星系际介质的基本物理学的两个关键问题:标准宇宙学模型是否描述了“黑暗时代”的宇宙?“在这个重要的时期,星系际介质是如何演变的,以氢的再电离结束的?
2009-02-18 astro-ph.CO
Unlocking 21cm Cosmology with SBI: A Beginner friendly NRE for Inference of Astrophysical Parameters
本文提出了一种面向初学者的PyTorch流程,用于基于模拟的推断方法MNRE,以从21厘米线功率谱中推断天体物理参数,如电离效率和X射线亮度。
2025-11-20 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Increasing Fisher Information by Moving-Mesh Reconstruction
重建技术通常用于宇宙学中,以减少复杂的非线性行为,以一个更容易处理的线性系统。本文研究了一种新的重建技术,即利用移动网格算法从非线性物质分布中估计位移场。我们通过量化其重建线性模式的能力来展示这种新技术的性能。我们研究了130个$N$ -体模拟重构前后的物质功率谱中关于初始物质功率谱的累积Fisher信息$I(<k_n)$,发现重构后的$I(<k_n)$的非线性平台增加了一个因子$\sim 50$,从$I \simeq 2.5 \times 10^{-5} /({\rm Mpc}/h)^3$到$I \simeq 1.3 \times 10^{-3}/({\rm Mpc}/h)^3$,最大值为$k$ .这一结果包括了初始场和最终场之间的去相关性,这在以前的一些研究中被忽略了。我们希望这种技术是有益的问题,如重子声振荡,红移空间扭曲和宇宙中微子,依赖于准确地解开非线性演化从潜在的线性效应。
2016-12-14 astro-ph.CO
Effects of Varying the Three-Body Molecular Hydrogen Formation Rate in Primordial Star Formation
通过三体反应将原子氢转化为分子氢是原始无金属晕崩溃的关键阶段,宇宙中第一代恒星(第三星族恒星)形成于此。然而,在已发表的文献中,该反应的速率系数是不确定的近一个数量级。我们报告的结果,自适应网格细化(AMR)和平滑粒子流体动力学(SPH)模拟的崩溃的无金属晕作为该速率系数的值的函数。对于每种模拟方法,我们模拟了一个单一的光环三次,使用三个不同的值的速率系数。我们发现,虽然晕实现之间的变化可能大于所造成的三体速率系数正在使用,吸积物理到人口III原恒星以及长期稳定的磁盘和任何潜在的碎片可能强烈依赖于这个速率系数。
2010-11-08 astro-ph.CO
Extreme Spheres: Counts-in-cells for 21cm intensity mapping
强度测绘调查将提供在高红移下以前所未有的大体积获得宇宙大尺度结构的粗略视图。鉴于大部分的天空可以有效地使用宇宙中性氢(HI)的发射进行扫描,强度映射非常适合探测广泛的密度环境,从而限制宇宙学和基础物理学。为了有效地从超过平均值的21 cm强度中提取信息,需要捕获与平均HI密度的大偏差的非高斯统计。细胞计数统计非常适合这个目的,因为球体中物质密度的统计可以在其方差低于1的尺度上准确预测。我们使用一个大的国家的最先进的磁流体动力学模拟从IllustrisTNG项目,以确定中性氢和细胞中的物质密度之间的关系。我们演示了如何我们的理论知识的问题PDF为一个给定的宇宙学可以用来提取一个参数独立的HI偏置函数从测量的中性氢PDF。当将预测的物质PDF与模拟的简单偏置拟合相结合时,我们在从红移z=5到z=1的尺度R=5 Mpc/h下以百分之几的精度获得了中性氢PDF的预测。此外,我们发现了一个密度依赖的HI聚类信号,这与理论预期是一致的,并可以允许联合约束的HI偏置和物质波动的幅度或结构的增长。
2018-08-29 astro-ph.CO
AREPO-RT: Radiation hydrodynamics on a moving mesh
我们介绍AREPO-RT,一种新的辐射流体动力学(RHD)求解器的非结构化动网格代码AREPO。我们的方法解决了基于矩的辐射转移方程使用M1封闭关系。我们实现了二阶收敛,通过使用一个斜率有限的线性空间外推和一阶时间预测步骤,以获得原始变量的细胞界面两侧的值。一个Harten-Lax-Van Leer通量函数,适当修改为移动网格,然后用于解决界面处的黎曼问题。实现是完全保守的,并与AREPO的个人时间步进方案兼容。它结合了原子氢(H)和氦(He)热化学,用于将紫外线(UV)辐射场耦合到气体。此外,红外辐射耦合到气体和尘埃之间的局部热力学平衡的假设下。我们成功地将我们的代码大量的测试问题,包括应用程序,如扩展的${\rm H_{II}}$地区,辐射压力驱动的外流和悬浮光学厚层的气体被困红外辐射。新的实现是适合于研究各种重要的天体物理现象,如驱动星系尺度外流的辐射反馈的影响,辐射驱动的高红移类星体的尘埃风,或以自洽的方式模拟宇宙的再电离历史。
2019-02-01 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Mitigating Internal Instrument Coupling for 21 cm Cosmology I: Temporal and Spectral Modeling in Simulations
我们研究的行为的内部信号链反射和天线交叉耦合的系统学为21厘米宇宙学调查。我们概述了这些系统如何出现在干涉仪vibratory数学和描述他们的现象。然后,我们描述的技术建模和删除这些系统,而不会衰减的21厘米的信号的数据。这对低频无线电调查具有关键意义,旨在表征来自再电离时代和宇宙黎明的21厘米信号,因为系统学可能导致明亮的前景发射污染EoR窗口并阻止稳健的检测。我们还量化了系统建模算法的信号丢失特性,并表明我们的技术表现出对EoR信号丢失的抵抗力。在配套文件中,我们证明了这些方法的数据从氢时代的再电离阵列作为一个概念验证。
2019-10-25 astro-ph.CO astro-ph.IM
JERALD: high-fidelity dark matter, stellar mass and neutral hydrogen maps from fast N-body simulations
JERALD通过改进拉格朗日深度学习,从低分辨率近似N体模拟中生成高保真暗物质、恒星质量与中性氢图,其功率谱与高8倍分辨率的全流体模拟高度一致,可用于约束暗物质性质。
2025-01-15 astro-ph.CO
Redundant-Baseline Calibration of the Hydrogen Epoch of Reionization Array
在21厘米宇宙学中,精确的校准是从非常明亮但光谱平滑的天体物理前景中分离中性氢信号的关键。氢时代再电离阵列是一个专门用于21厘米宇宙学的干涉仪,目前正在南非建造,其设计主要是利用重复测量相同干涉仪模式的自洽性进行校准。这种技术被称为“冗余基线校准”,解决了校准问题中的大部分内部自由度。然而,它假设天线元件具有精确放置在冗余网格上的相同的主波束。在这项工作中,我们审查的算法,使冗余基线校准和报告结果与HERA数据的详细实施。我们量化现实世界中的非冗余的影响,以及它们如何比较的理想化的情况下,冗余的测量不同,只有在他们的噪声实现。最后,我们研究了非冗余如何在我们的校准解决方案中产生虚假的时间结构-无论是在数据中还是在模拟中-并提出了缓解这种结构的策略。
2020-11-03 astro-ph.CO astro-ph.IM
Dark Matter from Axion Strings with Adaptive Mesh Refinement
轴子是一种假想的粒子,可以解释观测到的暗物质(DM)密度和未观测到的中子电偶极矩。越来越多的轴子实验室研究正在世界范围内进行,但这些努力是困难的事实,轴子质量在很大程度上是不受约束的。如果轴子是在暴胀后产生的,那么就会有一个独特的质量,从而导致观测到的DM丰度;由于非线性和被称为弦的拓扑缺陷,精确计算这个质量在过去四十年里一直是一个挑战。最近的工作,利用大型静态晶格模拟,导致了很大程度上不同的预测轴子质量,跨越范围从25微电子伏特到超过500微电子伏特。在这项工作中,我们表明,自适应网格细化(AMR)模拟更适合轴子宇宙学比以前使用的静态晶格模拟,因为只有弦核心需要高的空间分辨率。使用专用AMR模拟,我们获得了超过三个数量级的飞跃动态范围,并提供证据表明,轴子弦辐射的能量与标度不变的频谱,在$\sim$ 5%的精度,导致在(40,180)微电子伏特范围内的质量预测。
2021-08-11 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Aspects of Dark Matter Annihilation in Cosmology
宇宙微波背景(CMB)对暗物质湮灭的约束是理解暗物质本质的一个独特而有力的工具。在复合和再电离之间,暗物质湮灭为标准模型粒子加热重子,电离中性氢,并改变CMB可见度函数。令人惊讶的是,随着未来宇宙学调查中预期的灵敏度的显著提高,暗物质湮灭的CMB边界预计不会显著提高。在本文中,我们将提出一个简单的物理描述的起源的CMB约束,并解释为什么他们几乎饱和,目前的观测。其基本特征是,暗物质湮灭主要影响电离分数,只有在宇宙是中性的时候,电离分数才能大幅增加。由此产生的变化发生在大角度尺度上的CMB,并导致类似的光学深度再电离的现象。我们将证明这对CMB的分析和数字的影响。最后,我们将讨论改变电离分数对大尺度结构的额外影响。
2018-04-03 astro-ph.CO hep-ph
GRAMSES: a new route to general relativistic $N$-body simulations in cosmology. Part I. Methodology and code description
我们提出了GRAMSES,在广义相对论(GR)的非线性宇宙学$N$体模拟的新管道。该程序采用GR的Arnowitt-Deser-Misner(ADM)形式,具有常平均曲率和最小畸变规范固定,为相对论宇宙学提供了一个完全非线性和背景无关的框架。采用一个完全约束的配方,爱因斯坦方程减少到一组10个椭圆方程,使用多重网格松弛与自适应网格细化(AMR)解决,和三个双曲方程张量自由度的演变。当前版本的GRAMSES通过使用保形平坦近似忽略了后者,这允许它计算度量的两个标量和两个矢量自由度。在本文中,我们描述的方法,实施,代码测试和宇宙学模拟的第一个结果在$Λ$ CDM宇宙,而产生的初始条件和物理结果将在其他地方讨论。从公开的$N$ -体和流体动力学模拟代码RAMSES继承了高效的AMR和大规模并行化基础设施,GRAMSES是研究维里化宇宙结构内时空的详细行为的理想选择,因此可以准确地量化逆反应效应对宇宙膨胀的影响,以及使用宇宙体积模拟研究GR对宇宙学观测值的影响。
2020-02-03 astro-ph.CO gr-qc
Unveiling dark energy properties with high-sensitivity cross-correlations of neutral hydrogen intensity mapping and galaxy surveys
University of Science and Technology of China(中国科学技术大学)
研究利用中性氢强度映射与星系巡天交叉相关性揭示暗能量特性,通过模拟未来低红移氢原子观测和窄带光学巡天,获得交叉功率谱并进行贝叶斯分析推断宇宙学参数,为21厘米强度映射的宇宙学研究提供重要方法。
2026-07-22 astro-ph.CO
Ultrafast effective multi-level atom method for primordial hydrogen recombination
宇宙学氢复合由于其对预测宇宙微波背景各向异性功率谱的重要性,最近又重新引起人们的关注。已经清楚的是,为了获得足够精确的复合历史,有必要考虑大量n >~ 100的氢原子能壳层,分别遵循角动量子态。然而,遵循所有这些能级的总体的多能级原子代码在计算上是昂贵的,限制了最近的分析,只有在参数空间中的几个点。在本文中,我们提出了一种新的方法来解决多能级原子的复合问题,它分裂成一个计算昂贵的原子物理学组件,是独立的宇宙学,和超快宇宙演化组件的问题。原子物理学部分遵循激发态之间的束缚-束缚和束缚-自由跃迁网络,并计算辐射连接到基态的一小部分“界面”态的有效跃迁率。宇宙学演化分量只遵循界面态的布居。通过预表的有效率,我们可以减少多能级原子计算的经常性成本超过5个数量级。所得到的代码是足够快的马尔可夫链蒙特卡罗参数估计算法。它还不包括最近一些论文中考虑的辐射转移或高n双光子过程。为了产生可用于普朗克数据分析的重组码,还需要对这些效应进行进一步的分析处理。
2010-08-14 astro-ph.CO
An Effective Bias Expansion for 21 cm Cosmology in Redshift Space
在不久的将来,对再电离时期的21厘米信号的探测将为探索潜在的宇宙学提供独特的机会,前提是这种宇宙学信息可以精确地提取。为此,我们进一步发展有效场论(EFT)启发的技术,在21厘米的亮度温度场的再电离时代,将重整化偏置和红移空间失真的治疗。值得注意的是,我们确认,在红移空间中,测量的21厘米的亮度,例如功率谱,应该有不可约的贡献,缺乏偏置系数,因此包含直接的,天体物理学的自由信息的宇宙学密度场,在这项工作中,我们研究这种影响超越线性秩序。为了验证我们的理论治疗,我们适合预测的EFT傅立叶空间形状的THESAN套件的流体动力学模拟的再电离在现场的水平,其中相当数量的模式,防止过拟合。我们发现,在几个百分点的水平之间的21厘米功率谱的EFT拟合和模拟的波数范围$k \lesssim 0.8$ h/Mpc和中性分数$x_\mathrm{HI} \gtrsim 0.4$,这是迫在眉睫的测量氢时代的再电离阵列(HERA)和未来的实验。EFT描述21厘米信号的能力扩展到具有不同天体物理再电离处方的模拟以及与相互作用的暗物质的模拟。
2022-11-28 astro-ph.CO hep-ph
A Gunn-Peterson test with a QSO at z=6.4
理解宇宙再电离是现代观测宇宙学的重要目标之一。高红移的类星体光谱可以作为背景光源来测量中性氢的吸收。我们调查中性氢吸收的深,中等分辨率的凯克/Deimos光谱的类星体CFHQSJ 2329 -0301在z=6.4。这个类星体是目前已知的红移最高的类星体之一,z=6.4,但比之前研究得很好的类星体SDSSJ 1148 +5251(z=6.4)暗2.5等。因此,它有一个较小的斯特罗姆格伦球,并允许我们探测迄今为止最高的红移氢吸收。在Ly_alpha、Ly_beta和Ly_gamma吸收测量中,在5.915<z_abs<6.365(200共动Mpc)处的平均透射通量与零一致。这对应于光学深度的下限,τ_eff>4.9。这些结果与z>5.7时光学深度的强烈演化一致。
2011-04-08 astro-ph.CO astro-ph.HE
Machine Learning Techniques for Astrophysics and Cosmology: Lyman-$α$ forest
Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), The Barcelona Institute of Science and Technology(高能物理研究所(IFAE),巴塞罗那科学与技术研究院)
本文探讨了机器学习技术在分析里曼-α森林中的应用,重点在于克服传统方法的计算和方法学限制,通过自动化特征提取、改进恒星连续谱重建、加速流体动力学模拟仿真以及开发基于模拟的分析方法,推动宇宙学研究的发展。
2026-05-21 astro-ph.CO
gevolution 2.0: GPU-accelerated relativistic N-body simulations for cosmology
Institut für Teilchen- und Astrophysik, ETH Zürich(苏黎世联邦理工学院粒子与天体物理研究所);Institut für Astrophysik, Universität Zürich(苏黎世大学天体物理研究所);Département de Physique Théorique, Université de Genève(日内瓦大学理论物理系);CEICO, Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences(捷克科学院物理研究所CEICO)
研究针对宇宙学的相对论性N体模拟,核心方法是对gevolution代码进行重大改进,采用三层并行化,包括MPI、OpenMP及CUDA,实现GPU加速,主要贡献是发布gevolution 2.0及GPU就绪版LATfield2库并展示性能基准。
2026-07-21 astro-ph.CO astro-ph.IM
Weighing neutrinos with cosmic neutral hydrogen
我们调查的签名留下的中性氢(HI)在后再电离时代的空间分布的大规模中微子通过运行流体动力学模拟,包括大规模中微子作为额外的无碰撞粒子。我们发现,在大质量/无质量中微子宇宙学的晕主机中性氢类似的数量,虽然对于一个固定的晕质量,平均而言,HI质量增加的中微子质量的总和。我们的结果表明,HI是更强烈的宇宙学与大量的中微子,而它的丰度,$Ω_{\rm HI}(z)$,是较低的集群。这些效应主要来自于大质量中微子对宇宙学的影响:它们抑制了小尺度上物质功率谱的振幅和暗物质晕的丰度。在$z > 3$的流体动力学模拟和$z<3$的一个简单的分析模型的HI分布建模,我们使用Fisher矩阵形式主义保守地预测的约束,第一阶段的平方公里阵列(SKA)将放在中微子质量的总和,$M_ν\equiv Σm_ν$。我们发现,在$3 \lesssim z \lesssim 6$进行了10,000小时的干涉观测,从SKA 1-LOW的深而窄的调查中,中微子质量的总和可以测量,误差为$σ(M_ν)\lesssim0.3$ eV(95% CL)。在$z \lesssim 3$上使用单碟模式进行宽而深的SKA 1-MID勘测,可以获得类似的约束。通过结合MID、LOW和普朗克的数据,加上第四阶段光谱星系巡天的宇宙学参数,中微子质量之和可以确定,误差为$σ(M_ν)\simeq0.06$ eV(95% CL)。
2015-12-08 astro-ph.CO hep-ph
Warm dark matter signatures on the 21cm power spectrum: Intensity mapping forecasts for SKA
我们调查的影响,温暖的暗物质(WDM)的21厘米强度映射在后再电离宇宙在z = 3 - 5。我们对冷暗物质和WDM(热遗迹)质量分别为1,2,3,4 keV的5种不同模型进行了流体动力学模拟,并使用两种不同的方法对中性氢进行了后验分配,这两种方法都再现了中性氢系统柱密度分布函数的观测结果。与天真的预期相反,线性和非线性物质功率谱中存在的功率抑制导致中性氢和21 cm功率谱的功率增加。这是因为在WDM模型中,冷暗物质缺乏小质量的晕:为了在两个宇宙学模型中分配中性氢的总量,必须在最大质量的晕中放置更大的量,这与冷暗物质宇宙学相比更有偏见。我们量化这种影响,并解决望远镜SKA 1-LOW的意义,包括一个现实的噪声建模。结果表明,我们将能够排除一个4 keV的WDM模型与5000小时的观测在z > 3,统计显著性> 3 sigma,而一个较小的质量为3 keV,相当于目前的限制,可以排除在2 sigma以上的置信水平与1000小时的观测在z > 5。
2015-03-03 astro-ph.CO
The Impact of Beam Variations on Power Spectrum Estimation for 21-cm Cosmology I: Simulations of Foreground Contamination for HERA
探测再电离时期(EoR)的宇宙学信号需要高精度的校准,以将宇宙学信号与前景发射分离开来。在无线电干涉测量中,天线元件的扰动初级波束会破坏精确校准,这导致污染圆柱平均功率谱中的无前景区域或EoR窗口。对于氢时代再电离阵列(HERA),我们模拟和表征的扰动初级束流引起的饲料运动,如轴向,横向和倾斜运动,以上的14米盘。为了了解扰动光束的影响,能见度测量建模与两个不同的前景组件,点源和漫射源,我们发现不同的饲料运动呈现出不同的反应,每种类型的天空源。HERA的冗余基线校准在存在非冗余天线波束的情况下,由于馈电运动,在增益解决方案中引入了色误差,这会产生进入EoR窗口的前景功率泄漏。观测到的垂直进给运动的泄漏主要来自天顶周围的点源。此外,所观察到的泄漏从水平和倾斜饲料运动主要来自附近的水平扩散组件。对于具有最小前景偏差的EoR信号的鲁棒检测来说,色增益误差的减轻将是必要的,并且这将在随后的论文中讨论。
2022-10-28 astro-ph.CO astro-ph.IM
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: 21cm Radiation as a Probe of Physics Across Cosmic Ages
21厘米线指的是中性氢的禁戒跃迁,与质子和电子的自旋对齐有关。这是一种非常低的能量跃迁,每当宇宙中有中性氢时就会发射。由于重子大部分(约75%)是氢,原则上可以在宇宙历史的大部分时间内检测到这种发射。在不同的宇宙年代,主要的发射机制是不同的。在光子与物质分离之前,氢处于电离状态,在21厘米内不会发射。在复合后的黑暗时代,在z ~ 30-1000处,21 cm的发射与中性氢介质中的密度波动有关。在第一批恒星开启和星系开始形成之后,21厘米的发射跟踪中性介质海洋中的电离氢气泡。这个时期,跨越z ~ 6-30,通常被称为宇宙黎明和再电离时期(EoR)。当红移低于z<6时,星系际介质大部分是电离的,但在致密的星系环境中会形成自屏蔽的中性气体口袋,21厘米辐射追踪星系的分布。巨大不同的发射机制使我们能够在不同的红移下探测非常不同的物理,对应于不同的观测频率。然而,仪器方面的挑战,即建造非常灵敏和精确校准的射电望远镜,在各个频段上有许多共同点。21厘米探测器的潜力已经被天文学和天体物理学十年调查所认可,其宇宙学小组将黑暗时代确定为其唯一的发现区域。我们认为,HEP应该认识到21厘米作为基础物理学在多个轴上的探测器的潜力,并投资于技术开发,以充分利用这一丰富的技术。
2022-03-15 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex