Dark Cosmology: Investigating Dark Matter & Exotic Physics in the Dark Ages using the Redshifted 21-cm Global Spectrum
由红移21厘米信号探测到的黑暗时代是对标准LCDM宇宙学模型进行新的严格检验的理想时期。与该模型的分歧将表明新的物理学，如暗物质衰变（加热）或重子冷却超出了宇宙绝热膨胀的预期。在早期宇宙中，大多数重子物质都是以中性氢（HI）的形式存在，可以通过其基态的自旋翻转跃迁来检测。对红移21厘米光谱的测量映射了HI气体从黑暗时代到宇宙黎明直到再电离时代（EoR）的历史。探测全球EoR信号的实验（EDGES）最近报道了一个78 MHz的吸收谷（红移z为17），与宇宙黎明的预期频率相似，但比标准宇宙学和HI绝热冷却所认为的可能深度深3倍。重子和带有类似电子质量的轻微带电的暗物质粒子之间的相互作用为这种差异提供了一种可能的解释，但其他冷却机制也正在研究中，以解释这些结果。宇宙黎明谷受到宇宙学和第一个发光物体的复杂天体物理历史的影响。另一个低谷预计在黑暗时代，在第一批恒星形成之前，因此完全由宇宙学现象（包括暗物质）决定。在月球背面或轨道上的观测可以研究这个原始时期（15-40 MHz; z=100-35），这是从地球无法到达的。一个单一的交叉偶极天线或紧凑的阵列可以测量21厘米光谱的振幅，以区分（在>5 $σ$ }）标准宇宙学模型从额外的冷却来自当前的EDGES结果所需的水平。这一观察构成了对黑暗时代奇异物理学的有力而清晰的探索。
2019-02-16 astro-ph.CO
A limit on the warm dark matter particle mass from the redshifted 21 cm absorption line
最近的EDGES合作探测到中心频率为$ν= 78 \pm 1$ MHz的吸收信号，指出存在显著的莱曼- $α$背景，其红移为$z=18$。这个信号的时间限制了暖暗物质（WDM）宇宙学模型中的暗物质粒子质量（$m_χ$）。WDM延迟了小尺度结构的形成，因此，基于由于在$z=18$处的恒星形成而存在足够强的Ly-$α$背景，可以对$m_χ,$设置严格的下限。我们的结果表明，通过$α$泵浦的自旋温度耦合到气体需要一个最小的$m_χ>3$ keV的质量，如果原子冷却晕主导恒星形成率在$z=18,$和$m_χ>2$ keV，如果${\rm\,H_2}$冷却晕也有效地形成恒星在这个红移。这些限制匹配或超过最严格的限制引用到目前为止在文献中，即使在面对许多不确定性的恒星形成在高红移。
2018-05-16 astro-ph.CO astro-ph.GA
Constraining the redshifted 21-cm signal with the unresolved soft X-ray background
我们利用观测到的0.5 - 2 keV波段的未分辨宇宙X射线背景（CXRB）和现有的21厘米功率谱上限来限制X射线源的高红移数，重点研究它们对宇宙热历史和宇宙21厘米信号的影响。由于这些源的属性约束很差，我们考虑热气体，X射线双星和迷你类星体（即，具有软或硬X射线光谱的源）作为可能的候选者。我们发现：（1）软带CXRB对再电离结束前存在的源的X射线效率设置了上限，比通常假设的效率高一到两个数量级;（2）硬源比软源更有效地产生CXRB，（3）在硬源的情况下，在X射线效率的任何允许值下，通常假定的饱和加热极限在再电离的前半段是不成立的，（4）最大允许X射线效率设置了全局21 cm信号中吸收槽深度的下限和发射峰高度的上限，而在21 cm功率谱中，它设置了高红移峰的最小幅度和频率，以及（5）21-cm功率谱的现有上限为每个模型的X射线效率设置了下限。当与21厘米全球信号相结合时，CXRB将有助于打破简并帮助限制高红移热源的性质。
2016-10-25 astro-ph.CO
A blind Green Bank Telescope millimetre-wave survey for redshifted molecular absorption
我们提出的方法“盲”毫米波调查红移分子吸收的CO/HCO $^+$旋转线。频率范围$30-50$ GHz似乎是最佳的这种调查，提供灵敏度的吸收剂在$z \gtrsim 0.85$。至关重要的是，调查是“盲目的”，即基于无线电选择的样本，包括没有已知红移的来源。我们还报告了第一次大规模调查的结果，使用Q波段接收器的绿岸望远镜（GBT）搜索分子吸收朝向36源，3没有已知的红移，在频率范围$39.6 - 49.5$ GHz。GBT巡天的总红移路径为$Δz \approx 24$，大部分位于$0.81 < z < 1.91$，灵敏度足以检测到在$5σ$显著性下吸收的等效${\rm H_2}$柱密度$\gtrsim 3 \times 10^{21}$ cm $^{-2}$（使用银河系的CO到${\rm H_2}$和HCO $^+$到${\rm H_2}$转换因子）。该调查没有得到确认的分子吸收检测，产生了在柱密度$N({\rm H_2}) \gtrsim 3 \times 10^{21}$ cm $^{-2}$的分子气体的红移数密度的$2σ$上限$n(z=1.2) < 0.15$。
2013-12-12 astro-ph.CO astro-ph.GA
Detailed study of the ELAIS N1 field with the uGMRT - I. Characterizing the 325 MHz foreground for redshifted 21 cm observations
在该系列的第一篇论文中，我们介绍了新升级的巨型米波射电望远镜（uGMRT）在325 MHz和32 MHz带宽下对欧洲大面积ISO巡天-北1（ELAIS-N1）进行观测的初步结果。精确测量银河系和河外前景辐射随频率和角标度的涨落是探测宇宙黎明、再电离期和再电离期后中性氢红移21 cm信号的必要条件。在这里，我们第一次统计量化的银河系和河外前景源的ELAIS-N1字段的角功率谱的形式，使用新开发的锥形网格估计（TGE）。我们已经校准的数据与方向相关的校准技术和不。我们已经证明了TGE的有效性，对方向依赖的影响，通过使用更高的锥形的视野（FoV）。我们已经发现，弥漫银河系同步辐射（DGSE）占主导地位的天空，点源扣除后，在角多极范围$ 1115 \leqslant \mathcal{\ell} \leqslant 5083 $和$ 1565 \leqslant \mathcal{\ell} \leqslant 4754 $的方向相关和独立的校准vibrations分别。DGSE中的统计波动已被量化为$\mathcal{C}_{\mathcal{\ell}}= A \mathcal{\ell}^{-β} $形式的幂律。对于两种不同的校准方法，（A，$β$）的最佳拟合值为（$ 62 \pm 6$ $mK^{2}$，$2.55 \pm 0.3 $）和（$ 48 \pm 4$ $mK^{2}$，…
2019-06-04 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
A Bayesian analysis of redshifted 21-cm HI signal and foregrounds: Simulations for LOFAR
对EoR的21厘米中性氢（HI）超精细发射的观测有望为第一批恒星、星系和吸积黑洞的形成打开一扇全新的窗口。为了表征微弱的21厘米信号，我们需要开发成像技术，可以非常精确地重建扩展发射。在这里，我们提出了一种反演技术，在NCP的LOFAR基线，基于贝叶斯形式主义与最佳空间正则化，这是用来重建扩散前景图直接从模拟的能见度数据。我们注意到空间正则化在很大程度上对图像去噪，允许在$0.03\,{\rm Mpc^{-1}}<k_{\perp}<0.19\,{\rm Mpc^{-1}}$和$0.14\,{\rm Mpc^{-1}}<k_{\para}<0.35\,{\rm Mpc^{-1}}$范围内的相当大的$k_{\perp}-k_{\para}$空间上恢复21 cm功率谱，而不减去噪声功率谱。我们发现，结合使用GMCA（一种非参数前景去除技术），在$10 \, {\rm MHz}$带宽上积分600小时之后，我们可以在图中针对$60 \, {\rm mK}$的输入高斯随机rms噪声水平在$2σ$统计波动内主要恢复球形平均功率谱。
2015-06-16 astro-ph.CO
Detecting the redshifted 21cm forest during reionization
21厘米森林--高红移射电源光谱中的HI吸收特征--可能在再电离时期提供一个独特的探测大部分中性星系际介质（IGM）的方法。我们目前的模拟21厘米的森林由于大尺度结构的再电离时代的IGM，包括处方的X射线加热和渗透的光电离气泡。我们表明，如果检测到未来的仪器，如平方公里阵列（SKA），21厘米的森林可以提供一个显着的限制IGM的热历史。通过考虑在21 cm吸收开始时信号方差的突然增加，将有助于检测。如果无线电前景和本征源谱被很好地理解，在宽带宽上的通量衰减也可以改善检测前景。我们的分析占窄吸收线的可能性，从干预密集的区域，但是，与以前的研究不同，我们的结果不依赖于它们的属性。假设X射线加热对应于当地的恒星星族，我们估计，在不到一年的观测时间内，SKA可以对$z \sim 9$的天鹅座A型源进行21厘米吸收的统计学显著检测，而不是近十年的详细森林特征的显著检测。我们讨论了由于背景源丰度和21厘米吸收信号强度的不确定性而带来的观测挑战。
2011-10-25 astro-ph.CO
Large HI optical depth and Redshifted 21-cm signal from cosmic dawn
HI 21-cm光学厚度（$τ_b$）可能相当大，因为星系间介质（IGM）的动力学和自旋温度预计在宇宙黎明期间非常低。在HI过密度的区域，它将特别高。我们重新审视了广泛使用的线性化方程的有效性估计HI 21厘米差分亮度温度（$T_b$），其中假设$τ_b << 1$和近似$[1-\exp({-τ_b})]$作为$τ_b$。我们考虑两种情况，一种没有任何额外的冷却机制或无线电背景（称为标准情况），另一种（称为过度冷却）的情况下，假设EDGES的吸收轮廓和过度冷却机制。我们发现，给定一个测量的全球吸收信号，符合标准（过度冷却）的情况下，线性方程高估了自旋温度的$\sim 5\%(10\%)$。此外，使用数值模拟，我们研究了大的光学深度对各种信号统计的影响。我们观察到，在模拟分辨率（$\sim 0.5 h^{-1} \, {\rm Mpc}$）下计算的方差、偏度和峰度，对于标准方案分别被过度预测至$\sim 30\%$、$30\%$和$15\%$，对于过度冷却方案分别被过度预测至$\sim 90\%$、$50\%$和$50\%$。此外，我们发现，$T_b$的概率分布函数被压缩，变得更高斯的形状，如果没有近似。球平均HI功率谱分别在标准和过度冷却情况下，在所有尺度下被最多$\sim 25 \%$和$80\%$过度预测。
2021-10-13 astro-ph.CO
Transient RFI environment of LOFAR-LBA at 72-75 MHz: Impact on ultra-widefield AARTFAAC Cosmic Explorer observations of the redshifted 21-cm signal
本文研究 LOFAR-LBA 72-75 MHz 频段瞬态射频干扰对 AARTFAAC Cosmic Explorer 探测红移 21-cm 信号的影响，发现飞机信标等天空瞬态 RFI 在当前灵敏度和 500 小时积分下影响不显著，但对更深积分实验需加以滤除。
2023-11-06 astro-ph.CO astro-ph.IM
Calibration of the EDGES High-Band Receiver to Observe the Global 21-cm Signature from the Epoch of Reionization
EDGES高波段实验的目的是在红移范围$14.8 \gtrsim z \gtrsim 6.5$内探测来自再电离时期（EoR）的$21$ -cm信号的天空平均亮度温度。为了探测这种红移信号，EDGES高波段在西澳大利亚Murchison射电天文台的频率范围$90-190$ MHz内进行单天线测量。在本文中，我们描述了目前的战略，用于校准的EDGES高波段接收机和报告校准结果的仪器中使用的$2015-2016$观测活动。我们传播的接收机校准测量的天线温度使用蒙特卡罗方法的不确定性。我们定义了一个性能目标的$1$ ~mK残差RMS建模前景减法从基准温度谱使用五项多项式。在$95\%$置信度下，大多数校准不确定度产生$1$ ~mK或更小的残差。然而，天线和接收器反射系数中的当前不确定性可导致甚至在低前景天空区域中高达$20$ mK的残差。可以通过以下方式来减少这些主要残差：1）提高反射测量的精度，特别是它们的相位; 2）提高天线-接收器界面处的阻抗匹配;以及3）减少天线反射相位随频率的变化。
2016-12-10 astro-ph.CO astro-ph.IM
21cm Global Signal Extraction: Extracting the 21cm Global Signal using Artificial Neural Networks
使用全天空平均红移HI 21 cm信号研究宇宙黑暗时代、宇宙黎明和再电离时代（EoR）是大多数正在进行或即将进行的实验的一些关键科学目标，例如EDGES、SARAS和SKA。这个信号可以通过使用单个射电望远镜在整个天空中进行平均来检测，以全球信号的形式作为仅红移HI 21 cm频率的函数。在检测这种信号时面临的主要挑战之一是占主导地位的明亮前景。这种检测的成功在于前景去除的准确性。仪器增益波动、彩色初级波束、射频干扰（RFI）和地球电离层的存在破坏了对来自地球的无线电信号的任何观测。在这里，我们提出了使用人工神经网络（ANN）来提取微弱的红移21厘米全球信号埋在海洋中的明亮的银河前景和污染不同的仪器模型。使用ANN的最显著的优点是，当被破坏的信号被馈送到训练的网络中时，我们可以同时非常准确地提取信号和前景参数。我们的研究结果表明，人工神经网络可以检测全球信号与$\gtrsim 92 \%$的准确性，即使在模拟观测的情况下，仪器有一些残留的时变增益的频谱。
2019-12-23 astro-ph.CO physics.comp-ph
Redshifted 21-cm emission signal from the halos in Dark Ages
本文分析了热暗物质模型中暗时代质量为$\sim10^6-10^{10}$ M $_\odot$的晕中氢原子21 cm超精细结构谱线的发射。这些晕被认为是由$10\lesssim z\lesssim50$的宇宙学密度扰动的高斯密度峰形成的。在多组分模型中形成单个球形晕的半解析模拟表明，在坍缩晕的绝热压缩下，其中的气体具有$60-800$ K范围内的动力学温度，并且每个晕的温度取决于维里化的时间。结果表明，中性氢原子间的非弹性碰撞是超精细结构能级的主要激发机制，使自旋温度向动力学温度靠拢。单个晕的亮度温度在1-10 K之间，取决于晕的质量和它的维里化红移，并且随着这两者的增加而增加。这种晕的视角半径在0.06-1.2角秒的范围内，它们的表面数密度从最低质量的几个每角分$^2$和红移到更高值的几乎为零呈指数下降。假设一个1 MHz的观测带宽的表面数密度的晕在不同的红移进行评估，以及波束平均差分天线温度和流量的氢发射从晕的不同质量。光束平均信号强烈地依赖于可能由WDM粒子的自由流动引起的黑暗时代晕的质量函数中的截止尺度。这一发现进行了比较与上限的氢21厘米线波动的功率谱的振幅来自最近的观测数据与MWA和LOFAR。
2019-11-21 astro-ph.CO
Bounds on abundance of primordial black hole and dark matter from EDGES 21-cm signal
红移的21厘米射电信号已经成为研究暗时代宇宙动力学（复合到再电离）的重要探针。在目前的分析中，我们探讨了在21厘米的方案中的原始黑洞（PBH）蒸发和重子-暗物质（DM）相互作用的联合效应。除了PBH参数（质量$\mathcal{M_{\rm BH}}$和初始质量分数$β_{\rm BH}$）的影响外，亮温的变化还与DM质量（$m_χ$）和重子-DM截面（$\overlineσ_0$）有显著的相关性.我们解决了$β_{\rm BH}$的上限和下限的广泛的PBH质量的存在下，不同的$m_χ$和$\overlineσ_0$通过将观测过量$\left(-500^{+200}_{-500}\: {\rm mK}\right)$的EDGES的实验结果。最后，我们针对不同的PBH质量解决了$m_χ$ - $\overlineσ_0$参数平面中的类似限制。
2021-06-09 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
A study of fundamental limitations to statistical detection of redshifted HI from the epoch of reionization
在本文中，我们探索的第一次的相对大小的三个基本来源的不确定性，即前景污染，热噪声和样本方差检测HI功率谱的再电离时代（EoR）。我们推导出的傅立叶合成望远镜的灵敏度的限制，以检测EoR的基础上，其阵列配置和统计表示的仪器所作的图像。我们使用Murchison宽场阵列（MWA）的配置为我们的研究。使用一个统一的框架，估计信号和噪声成分的HI功率谱，我们推导出一个表达式，并估计在三维k空间中的河外点源的污染。利用微波辐射计对不同观测模式下EoR HI功率谱检测的灵敏度进行了估算。通过使用128-tile MWA在单个场上进行1000小时的观测，EoR检测是可行的（对于$k\lesssim 0.8$ Mpc $^{-1}$，S/N > 1）。带通整形和改进的EoR窗口被发现是有效的，在包含前景污染，这使得该仪器容忍成像误差。我们发现，对于一个给定的观察时间，观察许多独立的视野并不提供一个单一的现场观察时，热噪声占主导地位的其他不确定性在派生的功率谱的优势。
2013-09-07 astro-ph.CO
Using Artificial Neural Networks to extract the 21-cm Global Signal from the EDGES data
中性氢的红移21厘米信号是一个很有前途的探测器，可以探测到我们宇宙的演化时期，当第一颗恒星形成时（宇宙黎明），整个宇宙从完全中性到完全电离（再电离）的时期。这条中性氢谱线最显著的特征是，它可以在整个频率范围内作为天空平均的连续特征被观察到，或者它的波动可以使用干涉仪测量。然而，21厘米的信号非常微弱，并且由更明亮的银河系和银河系外前景主导，使其成为观测挑战。我们使用不同的物理模型来模拟21厘米全球信号的各种实现，包括多余的无线电背景，以匹配EDGES 21厘米信号的幅度。首先，我们使用人工神经网络（ANN）从这些模拟数据集提取天体物理参数。然后，通过添加物理动机的前景模型生成模拟观测数据，并使用人工神经网络从这些数据中提取天体物理参数。我们从模拟观察中预测的$R^2$得分在0.65-0.89的范围内。我们已经使用这种人工神经网络预测的信号参数，给出的边缘数据作为输入。我们发现，重建的信号密切模仿的幅度报告的检测。恢复的参数可以用来推断在高红移气体的物理状态。
2020-11-30 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
