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
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
Simulated Predictions for HI at $z = 3.35$ with the Ooty Wide Field Array (OWFA) -- II: Foreground Avoidance
考虑到即将到来的OWFA，我们使用前景和$z = 3.35$ HI 21-cm强度映射信号的模拟来识别$(k_{\perp},k_{\parallel})$模式，其中预期的21-cm功率谱$P(k_{\perp},k_{\parallel})$显著大于预测的前景贡献。只有这些未受污染的$k$ -模式用于在“前景回避”技术中测量$P(k_{\perp},k_{\parallel})$。尽管前景主要局限于楔形。我们发现，楔之外的小泄漏超过了跨越$(k_{\perp},k_{\parallel})$平面的显著部分的21-cm信号。前景泄漏的程度对用于估计$P(k_{\perp},k_{\parallel})$的频率窗函数极其敏感。可以通过使窗函数变窄来减少泄漏，但是这是以丢失21 cm信号的较大部分为代价的。有必要平衡这些竞争效应以确定最佳窗口函数。考虑到广泛的一类余弦窗函数，我们确定了一个六项窗函数作为最佳的21厘米功率谱估计与OWFA。仅考虑$k$模式，其中预期21 cm功率谱超过预测前景的因子为$100$或更大，在$k$范围$0.18 \leq k \leq 0.3 \, {\rm Mpc}^{-1}$和$0.18 \le k \le 0.8 \, {\rm Mpc}^{-1}$中，分别使用$1,000-2,000$小时和$10^4$小时的观测，可以对分组功率谱进行$5\,σ$检测…
2020-12-18 astro-ph.CO astro-ph.IM
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
The Correlation Calibration of PAPER-64 data
观测来自再电离时期（EoR）的红移21厘米信号是具有挑战性的，因为明亮的前景源的污染超过了信号的几个数量级。去除这种非常高的前景依赖于精确的校准，以保持前景的固有特性与频率。这些实验常用的校准技术是基于天空模型和基于冗余基线的校准方法。然而，基于天空模型和基于冗余基线的校准方法可能分别遭受天空建模误差和阵列冗余缺陷问题。在这项工作中，我们介绍了混合相关校准（“CorrCal”）计划，其目的是通过放松冗余的阵列和包括天空信息到校准形式主义之间的差距冗余和天空为基础的校准。我们证明了轻微的改善功率谱，约$-6\%$偏差在bin的前景楔形结构的地平线上的限制，相对于功率谱之前的“CorrCal”的实施，以探测的再电离时代（PAPER）的实验，这是否则使用冗余基线校准校准的数据。楔形极限附近的前景功率谱的这种小的改善可以暗示“CorrCal”校准后的数据中减少的谱结构，这为将来校准算法和实现方法的改进奠定了基础。
2021-12-02 astro-ph.CO astro-ph.IM
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
Power spectrum multipoles and clustering wedges during the Epoch of Reionization
Institute for Astronomy, The University of Edinburgh（爱丁堡大学天体物理研究所）
研究利用21厘米巡天在电离纪元中功率谱聚类楔作为总结统计量的可行性，通过SKA低频观测模拟发现，多极功率谱在聚类楔中能提高参数推断精度，达到百分级精度。
2024-10-30 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
Contamination of the Epoch of Reionization power spectrum in the presence of foregrounds
我们构建前景模拟包括空间相关的河外和弥漫的银河系的发射组件和计算的“内在”（无仪器）的二维空间功率谱和圆柱形和球形平均的三维k-空间功率谱的时代的再电离（EoR）和我们的前景模拟使用贝叶斯功率谱估计框架。这导致我们确定一个模型相关的区域的最佳信号估计为我们的前景和EoR模型，在EoR信号相对于前景的空间功率最大化。我们确定了一个目标字段相关的区域，在k空间中，在低k_perp和k_parallel的固有前景功率谱污染和过渡到一个相对前景自由的固有EoR窗口在该区域的补充。k空间的污染区域表明，同时估计EoR和前景对于获得EoR功率谱的统计稳健估计是重要的;从忽略其协方差的方法中将获得有偏结果。使用模拟观测与频率相关的紫外线覆盖和主波束，与前者来自HERA在37天线和331天线配置，我们恢复仪器功率谱与其内在的对应。我们讨论了这些结果的影响，最佳策略的无偏估计的EoR功率谱。
2016-07-26 astro-ph.CO astro-ph.IM
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
Establishing a relationship between the cosmological 21 cm power spectrum and interferometric closure phases
Leiden University（莱顿大学）；University of Cambridge（剑桥大学）；Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO)（联邦科学与工业研究组织）
本研究建立闭合相位与宇宙21厘米功率谱的数学关系，通过延迟谱方法和傅里叶变换技术验证，以提高对宇宙信号的检测灵敏度。
2026-02-04 astro-ph.CO astro-ph.IM
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
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
The Impact of Modeling Errors on Interferometer Calibration for 21 cm Power Spectra
研究了由源模型误差引起的天基定标误差对21cm干涉仪功率谱测量的影响，并提出了抑制其影响的方法.虽然来自校准星表中没有考虑的微弱源的发射被认为是光谱平滑的，但由于干涉仪天空响应的固有色度（“楔形”），真实的vibrations与模型vibrations的偏差不是。因此，未建模的前景，低于许多仪器的混淆限制，在我们希望观察宇宙信号的相同视线尺度上将频率结构引入增益解。我们推导出的解析表达式描述这些误差使用线性近似的校准方程和估计的影响，这种偏差的测量的21厘米功率谱在再电离时代（EoR）。鉴于我们目前在初级光束和前景建模方面的精度，这种噪声将显著影响依赖于天空校准的现有实验的灵敏度。我们的形式主义描述了阵列和天空模型参数的定标，可以用来指导未来的仪器设计和定标策略。我们发现，基于天空的校准，降低长基线的权重，可以消除污染的楔形以外的大部分地区，只有一个温和的增加仪器噪声。
2017-05-21 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
Foregrounds in Wide-Field Redshifted 21 cm Power Spectra
在红移z>6处，从再电离时期检测到HI的21 cm发射主要受到前景发射的限制。我们调查的宽场测量和全天空的前景模型使用延迟谱技术，通过天线对之间的信号延迟映射到前景物体的位置的测量签名。我们证明了干涉测量固有的所有尺度敏感，包括最大的角度尺度，由于宽场测量的性质。这些宽场效应对所有观测都是通用的，但天线形状会显著影响它们的振幅。相对于偶极子或相控阵列，从前景污染的角度来看，碟形天线产生最理想的特征。比较最近Murchison宽场阵列观测的数据，我们证明了对HI信号影响最大的前景签名来自远离主视场接收的功率。我们确定扩散发射附近的地平线作为一个重要的影响因素，即使在宽天线间距，通常代表小尺度上的结构。对于通过主视场进入的信号，紧凑发射占主导地位的前景污染。这两种机制在傅立叶延迟空间中的“前景楔形”上留下了特征性的“干草叉”签名。基于这些结果，我们提出，选择性的降权的数据的基础上天线的间距和时间可以减轻前景污染的一个因素~100，可以忽略不计的灵敏度损失。
2015-04-28 astro-ph.CO astro-ph.IM
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
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
Towards Optimal Foreground Mitigation Strategies for Interferometric HI Intensity Mapping in the Low-Redshift Universe
我们进行的第一个案例研究，对中性氢（HI）强度映射使用无线电干涉仪在低红移发展最佳前景缓解策略。建立了模拟、前景减缓和功率谱估计的管道，可用于使用MeerKAT和平方公里阵列天文台（SKAO）进行的和未来的调查。它模拟真实的天空信号，以生成给定仪器和观测规格的能见度数据，随后用于执行前景缓解和功率谱估计。本文提出了一种二次型估计方法来估计可见度空间中的温度功率谱。使用MeerKAT望远镜规格的观测在红移范围z~0.25-0.30对应的MeerKAT国际千兆赫分层河外星系探测（MIGHTEE）的调查，我们提出了一个案例研究，我们比较不同的方法的前景缓解。我们发现，可见度空间中的组件分离提供了一个更准确的估计HI聚类相比，前景回避，与不确定性小30%。从图像的功率谱估计被发现是更大的偏差和更多的信息丢失相比，在可见性估计时，更不稳定。我们的结论是，对于z~0.25-0.30，MIGHTEE巡天将能够以高精度测量从k~0.5 Mpc $^{-1}$到k~10 Mpc $^{-1}$的HI功率谱。我们是第一个表明，在低红移，在可见度空间中的组件分离抑制在大的视线尺度的前景污染，允许测量HI功率谱更接近前景楔，对未来的检测至关重要的数据分析。
2022-12-07 astro-ph.CO
The impact of non-Gaussianity on the Epoch of Reionization parameter forecast using 21-cm power spectrum measurements
再电离时期（EoR）21厘米信号的测量保持了约束再电离模型的潜力。本文考虑了一个具有三个天体物理参数的再电离模型：（1）能容纳电离源的最小晕质量$M_{\rm min}$，（2）晕内每个重子逃逸到IGM的电离光子数$N_{\rm ion}$，（3）IGM内电离光子的平均自由程$R_{\rm mfp}$。我们预测的准确性，这些参数可以从未来的观测21厘米功率谱（PS）使用即将到来的SKA-Low。不像几个早期的作品，我们占的非高斯性的固有EoR 21厘米信号。仅考虑宇宙方差，并假设前景被完全删除，我们发现，非高斯性增加了$1 σ$误差椭球的体积的参数的$133$的一个因素，相对于高斯预测，方向也是不同的。当排除前景楔形内的所有$\mathbf{k}$模式时，对于$1024$和$10000$小时的观测时间，误差椭球体的体积比分别为$1.65$和$2.67$。在排除前景楔形的情况下，对于$1024$小时，1D边缘化误差为$(ΔM_{\rm min}/M_{\rm min},ΔN_{\rm ion}/N_{\rm ion},ΔR_{\rm mfp}/R_{\rm mfp})=(6.54, 2.71, 7.75) \times 10^{-2}$，其分别为大于相应高斯预测的$2 \%$、$5 \%$和$23 \%$。非高斯性的影响随着观测时间的延长而增加，这对$R_{\rm mfp}$尤其重要…
2020-08-14 astro-ph.CO
Spherical Harmonic Analyses of Intensity Mapping Power Spectra
强度映射是一种很有前途的技术，用于测量我们宇宙的大尺度结构，从$z=0$到$z \sim 150$，使用谱线的亮度温度场直接观察宇宙时间轴以前未被探索的部分。目标谱线的例子包括中性氢的$21\,\textrm{cm}$超精细跃迁、一氧化碳的旋转谱线和单离子化碳的精细结构谱线。最近的努力集中在空间波动的功率谱的检测，但受到阻碍的系统，如前景污染。这激发了将数据分解为垂直和平行于视线的傅立叶模式，这已被证明是诊断系统学的一种特别强大的方法。然而，这样的方法仅在窄场、平天近似的限制下才是定义良好的。这限制了强度测绘实验的灵敏度，因为这意味着必须将大范围的调查作为较小领域的拼凑来单独分析。在本文中，我们开发了一个框架，用于分析强度映射数据在球面傅里叶-贝塞尔基础上，它结合了弯曲的天空效果没有困难。我们使用我们的框架，概括了一些技术的强度映射数据分析从平坦的天空弯曲的天空。这些措施包括基于可信度的估计功率谱，治疗的interloper线，和“前景楔形”的频谱平滑前景签名。
2016-10-27 astro-ph.CO astro-ph.IM
The Importance of Wide-field Foreground Removal for 21 cm Cosmology: A Demonstration With Early MWA Epoch of Reionization Observations
在本文中，我们提出的意见，模拟和分析表明前景发射的天空和它的位置在宇宙学功率谱干涉红移21厘米实验的位置之间的直接联系。我们开始一个启发式的形式主义理解映射到21厘米实验所使用的圆柱平均功率谱测量的天空坐标，重点是仪器的光束响应和相关的旁瓣的影响。然后，我们证明了这种映射分析功率谱与模拟和观测数据从默奇森宽场阵列。我们发现，去除一个前景模型，其中包括在主视场和第一旁瓣的源减少了百分之几的污染，在高k_平行模式相对于一个模型，其中只包括在主视场中的源，与前景模型的完整性设置的主要限制量的功率去除。虽然很小，但100级的前景功率量本身足以防止从这些模式恢复任何EoR信号。这一结果表明，前景减法红移21厘米的实验是一个真正的宽场问题，算法和模拟必须扩展到主仪器的视野以外，有可能恢复完整的21厘米功率谱。
2016-01-22 astro-ph.CO astro-ph.IM
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
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
Predictions for measuring the 21-cm multi-frequency angular power spectrum using SKA-Low
光锥（LC）效应导致红移的21厘米信号$T_{\rm b}(\hat{\bf n},ν)$的平均值和统计特性随频率$ν$（或宇宙时间）而变化。因此，信号沿视线（LoS）方向的统计均匀性（遍历性）被破坏。这是一个严重的问题，特别是在再电离时期（EoR），当平均中性氢分数（$\bar{x}_{\rm HI}$）随着宇宙的演变而迅速变化时。这也将为大带宽观测带来复杂性。这些效应意味着3D功率谱$P(k)$不能量化信号的整个二阶统计，因为它假设信号沿着LoS是遍历的和周期性的。作为$P(k)$的适当替代，我们使用多频角功率谱（MAPS）${\mathcal C}_{\ell}(ν_1,ν_2)$，它不假设信号沿LoS是遍历的和周期性的。在这里，我们研究了使用即将到来的SKA-Low的未来观测来测量EoR 21 cm MAPS的前景。忽略任何贡献的前景，我们发现，EoR的21厘米地图可以测量在一个置信水平$\ge 5σ$在角度尺度$\ell \sim 1300$的总观测时间$t_{\rm obs} \ge 128\,{\rm hrs}$整个$\sim 44\,{\rm MHz}$观测带宽。我们还定量地解决前景的影响，MAPS检测能力预测，避免信号包含在前景楔$(k_\perp, k_\parallel)$平面。这些结果与即将到来的大带宽EoR实验非常相关，因为以前的预测都局限于单独分析小频率…
2020-04-23 astro-ph.CO astro-ph.IM
Probing Early Phases of the Epoch of Reionization with the $\mathrm{kSZ}^{2}\times21\,\mathrm{cm}^{2}$ Cross-Correlation
Stellenbosch University（斯泰伦博斯大学）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；University of Groningen（格罗宁根大学）
本研究利用kSZ²×21cm²互相关统计量，在z≈9–16探测再电离纪元，该统计量对IGM热演化与电离结构敏感，预测SKA-Low与CMB-HD组合信噪比约5.89，为高红移热历史提供互补约束。
2026-10-05 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
Primary Beam Chromaticity in HIRAX: I. Characterization from Simulations and Power Spectrum Implications
University of KwaZulu-Natal（夸祖鲁-纳塔尔大学）；Université de Genève（日内瓦大学）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；McGill University（麦吉尔大学）
本文研究了HIRAX主束色散对21厘米功率谱测量的影响，提出了一种基于物理的束模型技术以减少泄漏并提高精度。
2025-08-25 astro-ph.CO astro-ph.IM
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
Scintillation noise power spectrum and its impact on high redshift 21-cm observations
在低射频（$ν\lesssim 200$ MHz）下，由波通过湍流电离层传播引起的能见度闪烁可能是噪声的重要来源。许多低频实验正在进行中，以检测来自再电离时期的中性氢$21$ -cm信号（EOR：$12\gtrsim z\gtrsim 7$，$100\lesssim ν\lesssim 175$ MHz）的亮度温度波动的功率谱。在本文中，我们推导出闪烁噪声功率谱在这样的实验中，同时考虑到典型的数据处理操作，如自校准和傅立叶合成的影响。我们发现，对于最低限度的冗余阵列，如LOFAR和MWA，闪烁噪声是相同的数量级的热噪声，有一个频谱的一致性规定的快照$uv$ -频率覆盖范围的拉伸，从而被限制在众所周知的楔形结构的圆柱形（$2$维）功率谱空间。紧凑型、全冗余（$d_{\rm core}\lesssim r_{\rm F} \approx 300$ m，$150$ MHz）阵列（如HERA和SKA-LOW（核心））在所有基线处都是闪烁噪声占主导地位的，但该噪声的空间和频率相干性将允许其与频谱平滑前景一起被去除。
2015-12-01 astro-ph.CO astro-ph.IM
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
Constraining Statistical Isotropy using 21cm Power Spectrum and Bispectrum
针对宇宙统计各向同性的潜在偏离问题，本文结合21厘米功率谱与双谱，通过Fisher形式主义约束偶极和四极各向异性参数，发现PUMA巡天在z≥1时约束精度优于10⁻³，较CMB巡天高一个数量级。
2025-08-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
What Next-Generation 21 cm Power Spectrum Measurements Can Teach Us About the Epoch of Reionization
目前正在进行一些实验，以测量再电离时期的21厘米信号。无论这些实验是否能探测到宇宙辐射，它们有限的灵敏度都将阻止它们提供有关再电离天体物理学的详细信息。在这项工作中，我们考虑什么类型的测量将使下一代更大的21厘米EoR望远镜。为了计算这种阵列可能的约束类型，我们使用简单的模型的仪器，前景发射，和再电离的历史。我们主要集中在一个仪器建模后的$\sim 0.1~\rm{km}^2$收集区氢时代的再电离阵列（HERA）的概念设计，并参数化的不确定性，前景排放考虑不同的限制，最近描述的“楔形”足迹在k空间。再电离的历史中的unevenness占使用一系列的模拟，不同的电离效率和负责再电离的星系的最低维里温度，以及电离光子通过IGM的平均自由程。鉴于各种组合的模型，我们认为可能的功率谱检测的意义，跟踪功率谱的演变与红移的能力，显着的功率谱特征的可检测性，以及对天体物理参数的定量约束的可实现水平。最终，我们发现，收集区域的$0.1~\rm{km}^2$足以确保即使在最悲观的情况下，再电离功率谱的非常高的显著性（$\gtrsim30σ$）检测。这种灵敏度应允许有意义的约束的再电离的历史和天体物理参数，特别是如果前景减法技术可以改进和成功实施。
2014-09-16 astro-ph.CO
Spectral modelling of Cygnus A between 110 and 250 MHz. Impact on the LOFAR 21-cm signal power spectrum
本文利用LOFAR 110–250 MHz观测数据，通过强制谱方法构建天鹅座A的高分辨率谱模型，并评估其对21厘米信号功率谱的影响，发现柱状功率谱显著改善但球面功率谱改善不显著。
2025-02-25 astro-ph.CO astro-ph.IM
The impact of non-Gaussianity on the error covariance for observations of the Epoch of Reionization 21-cm power spectrum
最近的模拟表明，再电离时期（EoR）21厘米信号是固有的非高斯，其中21厘米功率谱（PS）的误差协方差矩阵$\mathbf{C}_{ij}$包含三谱的贡献，如果信号是高斯的，将不存在。使用模拟的分箱功率谱和三谱，在这里，我们提出了一种方法，将这些与基线分布和系统噪声与任何无线电干涉阵列的观测误差预测。在这里，我们考虑即将到来的SKA-Low。非高斯性增强了引入相对于高斯预测的正偏差$Δ$的误差。$Δ$随观测时间增加而增加，$t_{\rm obs}$随着误差接近宇宙方差而饱和。考虑到$t_{\rm obs}=1024$小时，其中$5 σ$检测是可能的，在所有的红移$7 \le z \le 13$，在前景的情况下，我们发现，偏差是重要的，在小$k$，我们有$Δ\sim 40-100 \%$在$k~\sim 0.04 ~{\rm Mpc}^{-1}$的一些红移，也在中间$k \, (\sim 0.4 ~{\rm Mpc}^{-1})$，我们有$Δ\sim 200 \%$在$z=7$。非高斯性还引入了不同$k$箱中的误差之间的相关性，并且我们发现了相关性和与相关系数值跨越$-0.4 \le r_{ij} \le 0.8$的关系。除了前景楔形，$Δ$在$z=7$上仍然很重要（$> 50\%$）。我们的结论是，非高斯性作出了重大贡献的错误，这是重要的，在未来的仪器，旨在实现高灵敏度测量的EoR…
2019-06-28 astro-ph.CO
Impact of instrument and data characteristics in the interferometric reconstruction of the 21 cm power spectrum
将干涉仪测得的能量谱组合起来形成宇宙学功率谱是一个复杂的过程。在基于延迟的分析中，工具空间和宇宙空间之间的映射不是一对一的关系。相反，相邻模式有助于在一个点处测量的功率，其各自的贡献被编码在窗函数中。为了更好地理解干涉仪测量的功率，我们评估了仪器特性和分析选择对这些窗口函数的影响。聚焦氢时代的再电离阵列（HERA）作为一个案例研究，我们发现，长基线观测对应于增强的低k尾的窗口函数，这有利于前景泄漏，而明智的选择带宽和频率锥度可以减少所述的尾巴。简单的测试案例和现实的模拟，我们表明，除了跟踪模式混合，窗口函数有助于准确地重建模拟vibrations的功率谱估计。窗函数强烈依赖于光束的色度，而较少依赖于其空间结构-忽略旁瓣的高斯近似就足够了。最后，我们研究了非对称窗口函数的潜力，降低了低k功率的贡献，以避免前景泄漏。此处提供的窗口函数对应于完整I期数据的最新HERA上限。它们允许精确重建仪器测量的功率谱，并将用于未来的分析，以直接在圆柱空间中面对理论模型和数据。
2023-01-11 astro-ph.CO astro-ph.IM
Constraining High Redshift X-ray Sources with Next Generation 21 cm Power Spectrum Measurements
我们使用的Fisher矩阵形式主义和半数值模拟，以获得定量预测的约束下一代干涉仪，如氢时代的再电离阵列（HERA）和平方公里阵列（SKA）的功率谱测量，将放置在加热高红移星系际介质的X射线源的特性。通过对$z=5$和$z=25$之间的观测，我们发现，即使在前景污染的“楔形”或FM波段内无法进行测量，拟议的331个元素HERA和SKA第1阶段也能够对这些第一X射线源的光谱特性进行$\lesssim 10\%$约束。当占的自旋温度波动的功率谱振幅的增强，我们发现，可观察到的签名的再电离扩展远远超出了功率谱中的峰值通常与it.We还发现，较低的红移简并之间的签名加热和再电离物理导致的再电离参数的错误，是显着大于以前的预测。在加热时期的观测能够打破这些简并，大大改善我们的约束。由于这两个原因，在加热时期的21.cm观测也大大增强了我们对再电离的理解。
2016-04-24 astro-ph.CO astro-ph.GA
TILING I: Field-level Bayesian reconstruction of cosmological initial conditions during the epoch of reionization
Scuola Normale Superiore（比萨高等师范学院）；University of Catania（卡塔尼亚大学）；Stellenbosch University（斯坦陵布什大学）
本文提出混合机器学习流程TILING，结合点估计与扩散网络，利用星系图和21厘米观测在再电离时期重建宇宙学初始条件，实现高精度重建并指导后续观测。
2026-09-09 astro-ph.CO astro-ph.GA
Exploring the likelihood of the 21-cm power spectrum with simulation-based inference
本文通过基于仿真的推断研究宇宙21厘米功率谱似然的常见近似影响，发现高斯混合神经密度估计器能以更少仿真获得准确且无偏的后验。
2023-07-04 astro-ph.CO astro-ph.GA
Predicting the 21 cm field with a Hybrid Effective Field Theory approach
本研究构建红移空间混合有效场论（HEFT）模型，结合N体模拟精度与解析偏置展开预测能力，在z=6.5-11的再电离阶段实现21 cm功率谱高精度预测，性能优于纯微扰模型，可支撑未来21 cm宇宙学观测分析。
2024-06-18 astro-ph.CO astro-ph.GA
