Spectral Redundancy for Calibrating Interferometers and Suppressing the Foreground Wedge in 21cm Cosmology
针对21cm宇宙学观测中前景分离与高精度校准难题，提出新型nucal谱冗余校准方法，无需天空或波束模型，可有效抑制楔形区域前景且信号损失小，适用于新一代21cm强度映射实验。
2024-06-21 astro-ph.CO astro-ph.IM
The foreground wedge and 21 cm BAO surveys
来自未分辨低红移大尺度结构的红移H{ \sc \，i} 21 cm辐射是一个很有希望的观测地面重子声学振荡（BAO）的窗口。这种方法的一个主要挑战是将宇宙信号从银河系和银河系外起源的前景中分离出来，这些前景比前者强许多数量级。前景所期望的平滑频谱名义上只会污染非常小的$k_\parallel$模式;然而，望远镜天线方向图在该波长处对前景的色响应引入了非平滑结构，在我们感兴趣的物理尺度上普遍污染了宇宙信号。这种污染在傅立叶空间中限定了横向模式周围的楔形体积，这对于宇宙信号是不可接近的。在本文中，我们测试的影响，这种污染的楔形未来的21厘米BAO调查使用Fisher信息矩阵计算。我们包括由于BAO重建技术，已用于星系调查和测试的影响，这个楔形的BAO重建作为一个函数的信号噪声，并将结果在Fisher矩阵计算的信号改善。我们发现，在$z=1-2$预期的楔形效应是非常有害的角直径距离：角直径距离的误差增加了3-4.4倍，而H（z）的误差增加了1.5-1.6倍。我们的结论是，校准技术，清除前景“楔”将是非常有价值的约束角直径距离强度映射21厘米的调查。
2015-11-30 astro-ph.CO
Measurements of one-point statistics in 21 cm intensity maps via foreground avoidance strategy
测量的一点概率分布函数和高阶矩（方差，偏度和峰度）的高红移21厘米波动的非高斯性质的结构形成和再电离过程中的演变是最直接的统计探针。然而，来自天体物理前景和仪器系统学的污染对在实际观测中测量这些统计数据构成了重大挑战。在这项工作中，我们使用前向建模调查的可行性测量21厘米一点统计通过前景避免策略。利用k空间中前景的特征楔形形状，我们应用楔形切割滤波器，该滤波器基于氢时代再电离阵列（HERA）仪器从模拟数据集中去除前景污染模式，并从剩余非污染模式的图像空间表示中测量一点统计。我们在不同的频率带宽上进行不同程度的楔形切割实验，发现频带的中心最不容易受到楔形切割的影响。基于这一发现，我们介绍了一种滚动滤波器的方法，允许重建一个最佳的楔形切割21厘米强度图在全带宽使用输出楔形切割在多个子带。我们进行蒙特卡罗模拟表明，HERA应该能够测量的倾斜度和峰度的上升与滚动楔形切割方法，如果从傅立叶变换窗口函数的前景泄漏可以控制的再电离结束附近。
2022-09-29 astro-ph.CO
The wedge bias in reionization 21-cm power spectrum measurements
一个建议的方法来处理前景发射在即将到来的21厘米观测从时代的再电离是限制观测到一个未受污染的窗口在傅立叶空间。以这种方式可以避免前景发射，因为它被限制在$k_{\parallel}, k_{\perp}$空间中的楔形区域。然而，功率谱是各向异性的，由于红移空间的扭曲，从奇特的速度。因此，在前景回避窗口中测得的21 cm功率谱-仅对接近视线方向的有限角度范围进行采样-不同于全球面平均功率谱，全球面平均功率谱需要对\emph{all}角度进行平均。在本文中，我们首次计算了这种“楔形偏差”的大小。我们发现，偏置是最强的高红移，其中使用前景回避测量将高估功率谱约100%，可能模糊了独特的上升和下降的签名，预计为球平均21厘米功率谱。在再电离的后期阶段，偏置变为负值，幅度变小（$\lesssim 20$ %）。这种效应对空间尺度和再电离拓扑结构的依赖性很弱。
2015-11-12 astro-ph.CO
Constraining Polarized Foregrounds for EoR Experiments I: 2D Power Spectra from the PAPER-32 Imaging Array
当前的低频干涉仪的目标是探测高红移21厘米背景，目的是产生原始星系际介质中中性氢的亮度-温度对比度的功率谱。二维功率谱（傅立叶模式中的功率平行和垂直于视线）形成的干涉vibratory已被证明描绘光谱平滑的前景（称为楔形）和光谱结构的21厘米背景发射（EoR窗口）之间的边界。然而，已知偏振前景由于法拉第旋转而具有光谱结构，其可以泄漏到EoR窗口中。在这项工作中，我们创建和分析2D功率谱的PAPER-32成像阵列在斯托克斯我，Q，U和V，这些使我们能够观察和诊断系统的影响，在我们的校准在高信噪比的傅立叶空间内最相关的EoR实验。我们观察到良好定义的窗口中的斯托克斯village，与斯托克斯Q，U和V功率谱共享一个类似的楔形，在斯托克斯I。通过适度的偏振校准，我们没有看到任何证据表明偏振校准误差在任何斯托克斯可见度中将功率移动到楔形之外，达到所达到的噪声水平。需要更深入的集成来确认这种行为持续到EoR检测所需的深度。
2016-03-29 astro-ph.CO astro-ph.IM
Opening the 21cm EoR Window: Measurements of Foreground Isolation with PAPER
我们提出了新的观测与探测再电离时代（PAPER）的精密阵列的目的是测量在150 MHz的再电离实验的21厘米时代的前景发射的属性。我们专注于前景在宇宙学傅立叶空间的足迹，以了解哪些模式的21厘米功率谱将最有可能受到损害的前景发射。这些观测证实了前景可以被隔离到2D（k-垂直，k-平行）空间的“楔形”区域的预测，为更高k-平行值的宇宙学研究创造了一个窗口。我们还发现，由于前景中的光谱结构，发射延伸超过这个楔形的标称边缘，在最短的基线上，这个特征最突出。最后，我们对数据进行过滤，只保留这种“不平滑”的发射和图像特定的k-平行模式。结果图像显示，在最低模式下的功率过剩，但没有发射可以清楚地定位到天空的任何一个区域。这幅图像高度暗示，21 cm EoR研究中最有问题的前景将不是容易识别的明亮光源，而是更微弱的发射的集合。
2013-05-03 astro-ph.CO astro-ph.IM
Measuring the reionization 21 cm fluctuations using clustering wedges
使用红移21厘米线探测再电离时期的主要挑战之一是信号的幅度比天体物理前景小几个数量级。处理该问题的方法之一是避免傅立叶$k_{\perp} - k_{\parallel}$空间中包含来自频谱平滑前景的信号的楔形区域。然而，仅使用该楔形之外的模式（即，在再电离窗口中），导致偏置。我们提供了一个处方，基于扩展的功率谱的移位勒让德多项式，它可以用来计算角矩的功率谱中的再电离窗口。该处方需要使用所考虑的理论模型以及$k_{\perp} - k_{\parallel}$平面中前景楔形的有效范围的知识来计算功率谱的四极矩、四极矩和十六极矩。然后可以计算窗口中的理论功率谱，可以直接与观测结果进行比较。分析应避免使用21厘米功率谱数据的参数约束中的任何偏差的影响。
2018-06-22 astro-ph.CO
The Impact of Foregrounds on Redshift Space Distortion Measurements With the Highly-Redshifted 21 cm Line
中性氢的21厘米高红移线已被认为是宇宙学的独特探针，从相对较低的红移（z ~ 1）一直到再电离期（z ~ 8）甚至更远。到目前为止，大多数工作集中在恢复球平均功率谱的21厘米的信号，因为这种方法最大化的信号噪声在初始测量。然而，像星系巡天一样，21厘米的信号受到红移空间畸变的影响，并且在视线和横向方向之间具有固有的各向异性。对这种各向异性的测量可以产生独特的宇宙学信息，甚至可能将物质功率谱与天体物理效应隔离开来。然而，在干涉测量中，前景在视线方向和横向方向之间也具有各向异性的足迹：所谓的前景“楔形”。虽然前景减法技术正在积极发展，“前景避免”的方法，简单地忽略污染模式可以说是最成功的日期。在这项工作中，我们分析了这种前景各向异性的影响，在恢复的红移空间失真签名在21厘米测量在高和中等的红移。我们发现，即使是最大的EoR实验（HERA和SKA）的前景楔损坏几乎所有的红移空间信号，使宇宙学信息无法恢复，没有前景减法。这种情况在较低的红移下有所改善，从观测坐标到宇宙学坐标的红移依赖映射显着减小了楔形的大小。仅使用前景回避，我们发现，像CHIME这样的大型实验可以对宇宙学参数施加非平凡的约束。
2014-12-17 astro-ph.CO
The Epoch of Reionization Window: I. Mathematical Formalism
21厘米的线提供了一个强大的天体物理学和宇宙学的探测器在高红移，但解锁这种探测器的潜力需要强大的前景污染物的缓解，通常是几个数量级比宇宙学信号亮。最近的模拟和观测表明，前景的平滑光谱结构与仪器色度相结合，污染了圆柱形傅立叶空间中的“楔形”区域。虽然以前的努力已经探讨了抑制前景在这个楔形，以及避免这个高度污染的地区，所有这些努力都忽略了严格审查的错误统计与楔形。使用二次估计形式主义的干涉测量方程，我们提供了一个框架，这样一个严格的分析（包括一个完全协变的处理错误）。此外，我们发现，有很强的误差相关性，在高空间波数，迄今被忽略的灵敏度推导。这些误差相关性大大降低了依赖于长基线贡献的阵列的灵敏度，与假设不相关误差的估计相比。
2014-07-24 astro-ph.CO astro-ph.IM
Four Fundamental Foreground Power Spectrum Shapes for 21 cm Cosmology Observations
与明亮的天体物理源相互作用的仪器效应的污染是测量再电离时代和BAO 21厘米功率谱的主要障碍-一种称为模式混合的效应。在本文中，我们确定了四个基本的功率谱形状产生的模式混合，将影响所有即将到来的观测。我们第一次能够解释在高级模拟中看到的楔形结构，并预测基本上没有污染的“EoR窗口”的形状。了解这些污染的来源也使我们能够识别低于成像极限的校准和前景减法误差，为精确观测提供了一个强大的新工具。
2012-04-25 astro-ph.CO astro-ph.IM
Deconvolving the Wedge: Maximum-Likelihood Power Spectra via Spherical-Wave Visibility Modeling
通过红移的21厘米线直接探测再电离时期（EoR），将对婴儿宇宙结构形成的研究产生前所未有的影响。为了实现这一承诺，目前和未来的21厘米实验需要检测这种微弱的EoR信号的前景是几个数量级更大。这需要极端的噪声控制和改进的宽视场高动态范围成像技术。我们提出了一种新的成像方法的基础上的最大似然框架，解决了直接在球体上的干涉方程，或等效的$uvw$域。该方法使用球面波和球面谐波（SpH）之间的一对一关系。它始终处理来自整个天空的信号，并且不需要$w$项校正。球谐系数表示天空亮度分布和$uvw$域中的亮度，并提供空间功率谱的直接估计。使用这些频谱平滑的SpH系数，可以从信号中去除明亮的前景，包括它们的旁瓣噪声，这是高动态范围宽视场成像中的限制因素之一。与直接从其中清楚地存在楔形的前景图像计算的功率谱相比，在圆柱形（$k_{\perp}, k_{\parallel}$）功率谱中有效地消除（即，去卷积）了引起所谓的"楔形"的色彩效应。我们使用模拟LOFAR观测来说明我们的方法，找到了具有最小偏差的输入EoR信号的出色重建。
2017-11-13 astro-ph.CO
Anatomy of Cosmic Tidal Reconstruction
21厘米强度巡天旨在通过超精细发射绘制宇宙中的中性氢原子。不幸的是，长波长（低波数）的径向模式被平滑的天体物理前景严重污染，这些前景比宇宙学信号亮六个数量级。这种污染也泄漏到更高的径向和角波数模式，并形成一个前景楔。宇宙潮重建的目的是通过非线性的潮汐相互作用，从局部小尺度功率谱的各向异性特征中提取大尺度信号，而小尺度模式的丢失将影响其重建性能。本文回顾了潮汐相互作用理论和估计量的构造，并推导了重建谱的理论表达式。我们表明，重建是强大的对特殊的速度。去除低视线$k$模式，我们证明了互相关系数$r$大于0.7的大尺度（$k <0.1$ $h/$ Mpc），即使与截止值$k^c_{\|}=0.1$ $h/$ Mpc。丢弃楔形模式将产生$0.3< r < 0.5$，并完全消除对$k^c_{\|}$的依赖性。我们的理论预测与这些数值模拟一致。
2019-04-02 astro-ph.CO
Wedge-avoidance Fisher Forecasts for Primordial Features from Dark-Ages 21-cm Power Spectrum and Bispectrum
National Astronomical Observatories, CAS（中国科学院国家天文台）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
开发楔形感知的Fisher框架，预测月球背面阵列对振荡特征暴胀模型中原初非高斯性的约束，发现楔形回避显著削弱约束能力。
2026-10-14 astro-ph.CO
Field-level Reconstruction from Foreground-Contaminated 21-cm Maps
Harvard University（哈佛大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出两种方法，通过有效场论和扩散模型重建受前景污染的21厘米地图中的完整密度场，以提高宇宙学约束并促进实验间的交叉相关。
2025-11-28 astro-ph.CO
The Impact of Foregrounds on Dark Ages Measurements with the Highly Redshifted 21 cm Line
本研究分析高红移下21 cm宇宙学中的前景楔形效应，发现其比再电离纪元更显著，前景规避会损失一个量级灵敏度，指出需前景减除才能用近期可行的实验开展黑暗时代21 cm宇宙学研究。
2025-07-30 astro-ph.CO
Exploring One-point Statistics in HERA Phase I Data: Effects of Foregrounds and Systematics on Measuring One-Point Statistics
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Winona State University（威诺纳州立大学）；Rhodes University（罗德兹大学）；University of Manchester（曼彻斯特大学）；University of Western Cape（西开普大学）；University of Cambridge（剑桥大学）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；University of Melbourne（墨尔本大学）；University of Washington（华盛顿大学）；Brown University（布朗大学）；University of Nevada, Las Vegas（内华达大学拉斯维加斯分校）；McGill University（麦吉尔大学）；Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO)（联邦科学与工业研究组织）
本研究通过正向建模评估HERA Phase I观测中仪器效应对21cm一点统计测量的影响，发现仪器响应和wedge-filtering显著降低信号幅度，且m2测量结果不支持冷再电离模型，强调理解仪器效应是将其作为宇宙学探针的关键。
2025-11-04 astro-ph.CO
A Generative Modeling Approach to Reconstructing 21-cm Tomographic Data
本文提出基于随机插值的深度生成模型，利用21厘米信号的非高斯性质重建被楔形滤波去除的数据，有效恢复三维光锥空间信息，并展望其在宇宙黎明与再电离研究中的应用。
2024-07-30 astro-ph.CO astro-ph.GA
The 21cm-galaxy cross-correlation: Realistic forecast for 21cm signal detection and reionisation constraints
University of Vienna（维也纳大学）；Niels Bohr Institute, University of Copenhagen（哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所）；Cosmic Dawn Center (DAWN)（宇宙黎明中心）；Institut für Theoretische Physik, Universität Heidelberg（海德堡大学理论物理研究所）
研究通过分析21厘米-星系交叉相关信号，探讨不同观测配置对再电离场景区分能力的影响，提出需采用特定深宽光谱观测策略以提高信噪比。
2026-03-01 astro-ph.CO astro-ph.GA
The EoR 21-cm Bispectrum at $z=8.2$ from MWA data I: Foregrounds and preliminary upper limits
本文利用MWA数据首次尝试测量z=8.2再电离时期21厘米双谱，识别出受周期性尖峰污染的双谱EoR窗口，并给出了远高于理论预期的前景主导上限。
2025-07-07 astro-ph.CO astro-ph.GA
Lost Horizon: Quantifying the Effect of Local Topography on Global 21-cm Cosmology Data Analysis
我们提出了一个调查的地平线和全球21厘米观测和分析的影响。我们发现，地平线时，不能忽略建模低频观测。即使准确地知道天空和天线波束，前向模型也不能完全描述波束加权的前景分量，而不能准确地知道地平线。当拟合数据以提取21厘米信号时，单个时间平均光谱或独立的多光谱拟合可能能够补偿由水平线施加的偏差。然而，这些类型的拟合对21 cm信号缺乏约束力，导致信号提取的不确定性很大，在某些情况下，其幅度大于21 cm信号本身。通过执行多光谱拟合，可以显着降低信号不确定性，其中光谱使用公共参数同时建模。然而，这种大大增加的约束能力的代价是，视界效应的时间依赖性，这比它的光谱依赖性更复杂，必须精确地建模，以实现良好的拟合。为了帮助对地平线进行建模，我们提出了一种算法和Python包，用于使用高程数据计算给定观测点的地平线剖面。我们还解决了几个实际问题，如像素化误差，地平线轮廓的不确定性，以及前景障碍物，如周围的建筑物和植被。我们证明，我们基于训练集的分析管道可以考虑所有这些因素，以便对地平线进行足够好的建模，从而从模拟观测中精确提取21 cm信号。
2021-06-03 astro-ph.CO astro-ph.IM
Robust Foregrounds Removal for 21-cm Experiments
通过红移21厘米谱线直接探测再电离时期，将对早期宇宙结构形成的研究产生前所未有的影响。为了实现这一承诺，当前和未来的21厘米实验将需要检测到微弱的21厘米信号超过几个数量级。这就需要对银河系和河外的辐射及其由于仪器色度、电离层和不完善的校准而产生的污染物进行精确的建模。为了解决这个复杂的建模，我们提出了一种新的方法，基于高斯过程回归（GPR），它能够干净地分离宇宙信号从大多数前景污染物。我们还提出了一种新的成像方法的基础上的极大似然框架，解决了直接在球体上的干涉方程。使用该方法，在柱面（$k_{\perp}, k_{\parallel}$）功率谱中有效地消除（即，去卷积）引起所谓的“楔形”的色彩效应。
2018-01-18 astro-ph.CO
A 21-cm power spectrum at 48 MHz, using the Owens Valley Long Wavelength Array
探测黑暗时代的大孔径实验（LEDA）旨在测量宇宙黎明时中性氢的21厘米信号，$z \approx $ 15-30。利用欧文斯谷长波长阵列（OVRO-LWA）的$\approx $ 200 m直径的核心所作的观测，我们提出了一个2-D圆柱空间功率谱的数据在43.1-53.5 MHz（$z_{\rm median}\approx 28$）非相干积分为4小时，和阵列的灵敏度分析。来自前景的功率被定位到$k_\perp, k_\parallel$空间内的“楔形”。在使用包括VirA在内的5个明亮紧凑源校准了Vibrium之后，我们测量了前景楔形之外的$Δ^2(k) \approx 2 \times 10^{12}\ \mathrm{mK}^2$，原则上，未受污染的宇宙学信号将位于前景楔形之外。测量的$Δ^2(k)$是反映热仪器和天空噪声的组合的上限，以及从楔形散射功率的未建模的系统，如将讨论的。通过对频率通道的近配对进行差分校准，我们抑制前景天空结构和系统性，提取热噪声，并使用相干和非相干积分的混合来模拟3000 h观测和$z = $ 16-37的噪声主导的功率谱。对于合适的校准质量，所得噪声水平$Δ^2(k) \approx 100$ mK $^2$（k = 0.3 Mpc $^{-1}$）将足以检测由于早期Ly-$α$和X射线源而引起的21-cm空间功率谱中的峰，如针对一系列理论模型参…
2021-06-22 astro-ph.CO
Exploring the Cosmic Reionization Epoch in Frequency Space: An Improved Approach to Remove the Foreground in 21 cm Tomography
为了正确地恢复宇宙再电离过程中中性氢发射的红移21 cm信号，我们重新审视了基于频率空间二次多项式拟合技术的分离方法，通过样本统计定量评估恢复的21 cm信号质量，研究它们是否能在复杂前景下令人满意地工作。我们构造前景模型来表征真实天空的空间和光谱子结构，并使用它来模拟观测到的无线电频谱。通过对21 cm谱和功率谱的统计分析，比较不同分离方法对再电离过程的平均晕偏$b$和平均电离分数$x_e$的影响，在$z=8$和60 mK的噪声水平下，我们发现，尽管复杂前景可以用二次多项式展开很好地近似，丢失了21 cm信号的Mpc尺度分量的显著部分（对于$\gtrsim 6h^{-1}$ Mpc尺度为75%，对于$\gtrsim 1h^{-1}$ Mpc尺度为34%），因为当应用单窄段分离方法时，其倾向于被误识别为前景的一部分。本文提出的三窄段拟合技术能最好地恢复21 cm信号，并能最精确地确定$b$和$x_e$。类似的结果可以在其他红移得到。
2012-11-27 astro-ph.CO astro-ph.IM
Deep learning approach for identification of HII regions during reionization in 21-cm observations -- II. foreground contamination
本文提出SegU-Net v2卷积神经网络框架，用于在受前景污染的21厘米信号中识别中性区和电离区，并验证其对多种前景去除方法的独立性及在z>9时测量孤立电离气泡体积的能力。
2024-02-28 astro-ph.CO astro-ph.IM
Impact of 21-cm foreground mitigation strategies on reionization power spectrum constraints
Stockholm University（斯德哥尔摩大学）；Observatoire de Paris, Université PSL, Sorbonne Université（巴黎天文台，巴黎文理研究大学，索邦大学）
评估21厘米信号再电离时期的前景避免与高斯过程回归去除策略，两者引入约1σ参数偏差，避免法后验更宽，多红移推断受污染箱影响。
2026-07-20 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Bayesian power spectrum estimation with modelling of systematic effects in delay-fringe rate space
Jodrell Bank Centre for Astrophysics, University of Manchester（曼彻斯特大学乔德雷尔银行天体物理学中心）；Department of Physics and Astronomy, University of Western Cape（西开普大学物理与天文系）；Department of Physics and Trottier Space Institute, McGill University（麦吉尔大学物理系和特罗蒂尔太空研究所）
本文提出在延迟-干涉率空间中建模系统效应，以提高21cm干涉仪观测再电离时期信号的准确性，通过贝叶斯方法估计功率谱并减少系统性误差影响。
2026-10-01 astro-ph.CO astro-ph.IM
Recovering lost 21 cm radial modes via cosmic tidal reconstruction
21厘米的强度映射已经成为一种很有前途的技术来映射宇宙的大尺度结构，在红移$z$从1到10。不幸的是，许多关键的交叉相关与宇宙微波背景和照片$z$星系已被认为是不可能的，由于前景污染的径向模式与小波数。本文对模拟的21厘米场进行潮汐重建，成功恢复了丢失的大尺度径向模式。我们估计的互相关信号的可检测性，并发现它们可以检测到在高的意义与目前的21厘米的实验。潮汐场重建方法为探测宇宙开辟了一系列新的可能性，不仅对于21厘米测量，而且对于宇宙微波背景和光度红移观测都是极其有价值的。
2018-11-17 astro-ph.CO
Beamforming Errors in Murchison Widefield Array Phased Array Antennas and their effects on Epoch of Reionization Science
精确的天线波束模型对于射电观测至关重要，其目的是分离暗时代和再电离时代的红移21厘米谱线发射，并释放21厘米宇宙学的科学潜力。过去的工作主要集中在表征平均天线波束模型使用卫星信号或天文源作为校准器，但天线到天线的变化，由于不完善的仪器一直未被探索。我们通过实验室测量和模拟来表征Murchison宽场阵列（MWA）的这种变化，发现主瓣边缘附近和旁瓣中的典型偏差为+/-10-20%。我们认为这些结果的影响，图像和功率谱为基础的科学。特别是，我们模拟了由100米基线测量的vibration，并发现使用其他完美的前景模型，未建模的波束形成误差严重限制了前景减法精度的傅立叶空间的区域内污染的前景发射（“楔”）。这个区域可能包含了大量的宇宙学信号，访问它将需要测量每个天线的波束模式。然而，未建模的波束成形误差不会污染预期没有前景污染的傅立叶空间区域（“EOR窗口”），这表明前景避免仍然是可行的策略。
2016-02-17 astro-ph.CO astro-ph.IM
Selection between foreground models for global 21-cm experiments
在再电离时期和之前，天空平均测量21厘米线的前景的精确形式是未知的。我们建议，用于拟合全球21-cm数据的前景模型的复杂程度应该由数据驱动，根据贝叶斯模型选择方法。这种方法的第一个测试进行了应用嵌套抽样简化模型的全球21厘米数据计算贝叶斯证据的模型。如果假设前景是对数-对数空间中的n阶多项式，则对于n=4系数的合理值，我们可以推断使用n=4而不是n=3的必要性，其中具有有限频率覆盖的积分<2 h。使用高阶多项式不一定会阻止21 cm信号的显著检测。即使n=8，我们也可以获得非常强有力的证据，将信号的合理模型与具有128 h积分的零模型区分开来。然而，如果前景如此复杂，信号的更微妙的特征可能会丢失。使用仅包括吸收的信号的更简单的模型来证明这一点。结果突出了一些陷阱，试图量化的意义，从错误的信号参数单独的检测。
2015-02-25 astro-ph.CO
Coaxing Cosmic 21cm Fluctuations from the Polarized Sky using m-mode Analysis
在本文中，我们继续发展的m-模式的形式主义，一种有效的和最佳的分析技术的宽场过境射电望远镜，针对21厘米宇宙学。我们扩展了这种形式主义，使一个准确的治疗偏振的天空，充分考虑到偏振泄漏和交叉偏振的影响。我们使用的几何形状的测量集的violet项目到纯温度模式的天空中，作为一个显着的压缩，和一个有效的第一过滤器的极化污染物。我们使用的m-模式形式主义与Karhunen-Loeve变换给出了一个高效的方法进行前景清洗，并证明其成功地清洁现实的偏振天空观察到的仪器遭受大量的离轴偏振泄漏。我们开发了一个最佳的二次估计的m-模式的形式主义，它可以有效地使用蒙特卡洛技术计算。这是用来评估前景去除功率谱约束的影响，我们发现，我们的方法可以清洁前景远低于前景楔，渲染只有规模$k_\parallel < 0.02 h \,\mathrm{Mpc}^{-1}$无法访问。由于这种方法假设望远镜的完美知识，我们进行了一个保守的测试，这是多么重要，通过模拟和分析数据集与我们假设的望远镜的偏差。假设没有其他技术，以减轻偏置，我们恢复无偏功率谱时，每馈光束宽度被测量到0.1%，放大器增益是已知的1%内每分钟。最后，作为一个例子的应用程序，我们扩展我们的预测，宽带400-800 MHz的宇宙学观测，并考虑探测暗能量的影响，发现一个中等大小的圆柱形望远镜提高了约70%的普朗克和第二阶段实验的DETF图的优点。
2014-01-09 astro-ph.CO astro-ph.IM
Chromatic effects in the 21 cm global signal from the cosmic dawn
来自中性氢的红移21厘米亮度分布是研究宇宙暗期、宇宙黎明和再电离的一个很有前途的探针。LOFAR的低波段微波辐射计（LBA）可以在45 MHz到85 MHz（30 z>16）的频率范围内使用，以测量天空平均红移21 cm亮度温度作为频率的函数，或者等效地，宇宙红移。这些低频受到强烈的银河前景发射的影响，通过频率依赖的电离层和天线波束失真，导致空间结构到频谱结构的色混合观察。使用简单的模型，我们表明，（i）由于电离层折射和吸收的额外的天线温度是在\sim 1%的水平- 2至3个数量级高于预期的21厘米的信号，并有一个近似的ν^{-2}的依赖性，（ii）电离层折射导致在天空频谱上的膝状调制在ν \approx 4 \times等离子体频率。使用更现实的模拟，我们表明，在测量的天空光谱，超过50%的21厘米的信号方差可以失去混淆前景和色彩效果。我们的结论是前景和色彩混合可能不会被减去频率的通用功能，如以前认为的，而是必须仔细建模使用额外的先验和干涉测量。
2013-06-10 astro-ph.CO astro-ph.IM
Recovering Cosmic Structure with a Simple Physical Constraint
提出一种利用实空间非负性约束恢复射电观测中因前景规避而丢失的傅里叶相位信息的方法，并证明其可在SKA长基线观测中恢复BAO特征。
2025-03-26 astro-ph.CO
Direct correlation of line intensity mapping and CMB lensing from evolution along the lightcone
Stanford University（斯坦福大学）；SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福直线加速器中心）；Institute for Advanced Study（高等研究院）；Princeton University（普林斯顿大学）
研究通过分析光锥演化对LIM与CMB偏折直接相关性的影响，揭示了通过消除前景干扰可恢复平滑模式，为高红移LIM检测提供理论支持。
2025-11-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Bayesian model comparison and validation with Gaussian Process Regression for interferometric 21-cm signal recovery
University of Cambridge（剑桥大学）；Cavendish Astrophysics, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪什天体物理学）；Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge（剑桥大学卡弗里宇宙学研究所）
针对SKA-Low望远镜模拟观测，采用贝叶斯框架比较五种高斯过程回归模型，发现带楔形参数化和噪声缩放的模型在21厘米功率谱恢复中表现最优。
2026-07-02 astro-ph.CO astro-ph.IM
Stacking HI in the dark: Towards detecting the reionization-epoch 21 cm signal in Lyman-$α$ dark gaps
Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）
提出利用类星体吸收光谱暗隙引导的实空间堆叠技术，探测再电离纪元21厘米信号，模拟显示约100个暗隙可实现信噪比超10的稳健探测。
2026-09-09 astro-ph.CO
Detecting the HI Power Spectrum in the Post-Reionization Universe with SKA-Low
本研究提出利用SKA-Low望远镜在z=5-6探测HI功率谱的巡天策略，通过模拟发现高斯过程回归优于主成分分析进行前景清除，并确定了积分时间与系统效应要求，为再电离后宇宙的HI功率谱测量提供了关键验证。
2023-07-26 astro-ph.CO
Reconstructing large-scale structure with neutral hydrogen surveys
即将到来的21厘米强度调查将使用发射的超精细跃迁来绘制宇宙大体积中的中性氢。不幸的是，大的空间尺度完全被光谱平滑的天体物理前景所污染，这些前景比信号亮几个数量级。这种污染也泄漏到较小的径向和角模式，形成一个前景楔，进一步限制了21厘米观测的有用性，为不同的科学情况下，特别是交叉相关的示踪剂，在径向方向上有广泛的内核。在本文中，我们调查重建这些模式内的正演模拟框架。从初始密度场开始，一个合适的偏置参数化和非线性动力学来模拟所观察到的21 cm场，我们的重建通过结合正向模拟的可能性来进行，以匹配观测（在给定的建模误差和数据噪声模型下）与初始条件下的高斯先验，并最大化所获得的后验。对于红移$z=2$和$4$，我们能够重建21厘米场的互相关，$r_c > 0.8$在所有尺度上，我们的乐观和悲观的假设前景污染和不同程度的热噪声。性能在$z=6$时略有下降。大规模的视线模式几乎完美地重建。我们演示了如何我们的方法也重建重子声学振荡，优于所有尺度上的标准方法。我们还描述了我们的重建场如何在高红移下提供极好的聚类红移估计，否则很难获得密集的光谱样本，以及开辟与投影场（例如透镜效应）的互相关机会，这些场仅限于横向于视线的模式。
2019-11-13 astro-ph.CO
Restoring Missing Modes of 21cm Intensity Mapping with Deep Learning: Impact on BAO Reconstruction
本文利用U-Net深度学习模型恢复21cm强度映射中受前景污染影响的缺失模式，在k~1 h/Mpc处实现约0.9的相关性，且对BAO重建性能影响极小，并发现粗网格训练的模型可有效应用于细网格。
2025-03-26 astro-ph.CO
Improved upper limits on the 21-cm signal power spectrum of neutral hydrogen at $\boldsymbol{z \approx 9.1}$ from LOFAR
一个新的上限上的21厘米信号功率谱的红移为$z \approx 9.1$，根据141小时获得的数据与低频阵列（LOFAR）。该分析包括频谱平滑增益校准，高斯过程回归（GPR）前景缓解和最佳加权功率谱推断的显着改进。以前看到的“多余的功率”，由于在增益解决方案的频谱结构已显着减少，但一些多余的功率仍然存在与热噪声不同的频谱相关性。这种过剩具有$0.25 - 0.45$ \，MHz的光谱相干尺度，并且在夜晚之间部分相关，特别是在前景楔形区域中。覆盖相似的当地恒星时的夜晚之间的相关性更强。发现了在$k = 0.075\,\mathrm{h\,cMpc^{-1}}$时$Δ^2_{21} < (73)^2\,\mathrm{mK^2}$的最佳2- $σ$上限，与先前报道的上限相比，功效提高了一个因子$\approx 8$。剩余的多余功率可能是由于来自源的残余前景发射或远离相位中心的漫射发射、偏振泄漏、色度校准误差、电离层或低水平射频干扰。我们讨论了未来对信号处理链的改进，这些改进可以进一步减少甚至消除这些多余功率的原因。
2020-02-19 astro-ph.CO
Detecting the non-Gaussianity of the 21-cm signal during reionisation with the Wavelet Scattering Transform
探测星系际介质中中性氢的21厘米超精细跃迁是我们了解驱动再电离时代（EoR）的天体物理过程的最佳探测器。用于检测该21 cm信号的主要手段是通过使用21 cm功率谱（PS）的空间波动的统计测量。然而，21-cm信号是非高斯的，这意味着仅测量高斯波动的PS对于表征所有可用信息而言是次优的。即将到来的平方公里阵列（SKA）将在100度$.^{2}$上进行1000小时的深度观测，专门用于恢复21厘米信号的直接图像。在这项工作中，我们使用小波散射变换（WST）直接从这些二维图像的21厘米信号提取非高斯信息。WST的主要优点是其相对于用于测量非高斯信息的统计噪声的稳定性，不像统计噪声发散的双谱。我们介绍了一种新的方法，以隔离这种非高斯信息从模拟21厘米图像，并证明其检测在150（177）MHz（$z\sim8.5$和$\sim7$）的基准模型与$\sim$ 5~（8）假设完美的前景消除和$\sim2$ ~（3）假设前景楔回避信噪比。
2022-07-19 astro-ph.CO
Seeing Wiggles without Seeing Wiggles: BAO Recovery in 21 cm Intensity Mapping with Deep Learning
School of Physics and Astronomy, Sun Yat-Sen University（中山大学物理学院）；CSST Science Center for the Guangdong–Hong Kong–Macau Greater Bay Area, Sun Yat-Sen University（中山大学粤港澳大湾区宇宙科学中心）
本研究利用深度学习在21厘米强度测绘中恢复大尺度结构特征，特别是通过非线性模式耦合恢复BAO信息。
2026-07-24 astro-ph.CO
Inferring astrophysical parameters using the 2D cylindrical power spectrum from reionisation
本研究利用基于模拟的推断方法（边际神经比率估计），结合SKA 1000小时模拟观测，证明2D柱面功率谱通过区分横向与红移信息，将天体物理参数约束的不确定性降低约30-40%，优于1D球面平均功率谱。
2024-03-21 astro-ph.CO
LIMFAST. III. Timing Cosmic Reionization with the 21 cm and Near-Infrared Backgrounds
本研究针对21厘米与近红外背景直接互相关因前景污染失效的问题，提出对前景滤波后的21厘米信号取平方再与近红外背景互相关的方法，可有效探测宇宙再电离时间线，且能被未来巡天高显著性检测。
2025-01-17 astro-ph.CO
The 21 cm-kSZ-kSZ Bispectrum during the Epoch of Reionization
来自再电离时代（EoR）的高红移21厘米信号是一个有前途的早期宇宙观测探测器。当前和下一代无线电干涉仪，如氢时代再电离阵列（HERA）和平方公里阵列（SKA），预计将测量来自EoR的21厘米自动功率谱。这一时期的另一个观测信号是宇宙微波背景（CMB）中的动力学Sunyaev-Zel'dovich（kSZ）信号，即将进行的西蒙斯天文台（SO）和CMB-S4实验将观测到这一信号。21厘米的信号和来自EoR的kSZ的贡献预计是反相关的，前者来自星系际介质中的中性气体区域，后者来自电离区域。然而，kSZ和21 cm图之间的朴素互相关受到抵消的影响，因为电离区域同样可能朝向或远离观察者移动，因此与21 cm信号没有净相关性。我们在这里提出了一个调查的21厘米kSZ-kSZ双谱，这不应该遭受相同的取消简单的两点互相关。我们发现，有一个显着的和非零的信号，是敏感的再电离的历史，这表明统计可用于确认或推断的电离分数作为红移的函数。在没有前景污染的情况下，我们预测该信号在HERA和SO的高统计显著性下是可检测的。我们研究的双谱遭受的事实，即kSZ信号是敏感的，只有傅立叶模式与长波长的视线组件，这通常是丢失在21厘米的数据集，由于前景污染。我们讨论了可能的策略，以减轻这种污染，包括替代四点统计，可能有助于规避这个问题。
2020-08-11 astro-ph.CO
Machine learning astrophysics from 21 cm lightcones: impact of network architectures and signal contamination
对宇宙21厘米信号进行成像将绘制出我们宇宙的第一个十亿年。由此产生的3D光锥（LC）将编码看不见的第一个星系和物理宇宙学的属性。在这里，我们建立在以前的工作，使用神经网络（NN）直接从21厘米LC图像推断天体物理参数。我们引入递归神经网络（RNNs），能够有效地表征沿红移轴的21厘米LC图像的演变。使用模拟宇宙21厘米LC的大型数据库，我们比较不同的网络架构的参数估计的相对性能。这些包括两种类型的RNN，它们的复杂性不同，以及更传统的卷积神经网络（CNN）。对于没有工具效应的理想情况，我们最简单、最容易训练的RNN表现最好，与这里研究的其他架构相比，均方参数估计误差（MSE）低$\ge 2$的一个因子，$\ge 8$的一个因子低于以前研究的CNN。我们还通过添加与平方公里阵列1000小时集成的噪声来破坏宇宙信号，以及切除前景污染的“地平线楔”。当在这些污染的LC图像上训练NN时，参数预测误差增加，尽管即使在最悲观的情况下（使用$R^2 \ge 0.5-0.95$）恢复仍然良好。然而，我们没有发现网络架构之间的性能显着差异的污染图像。我们认为，这是由于我们的数据集的大小，强调需要更大的数据集和/或更好的数据增强，以最大限度地发挥NN在21 cm参数估计中的潜力。
2022-02-16 astro-ph.CO astro-ph.GA
