基于仿真器的再电离时期21厘米与密度互相关天体物理及宇宙学预测

中性氢场涨落产生的21厘米信号及其与其他宇宙密度示踪物的互相关，是探测高红移宇宙的有力探针。在本研究中，我们评估了21厘米功率谱及其与暗物质密度的互功率谱和相关偏置，在约束再电离时期天体物理过程及基础宇宙学方面的潜力。我们的方法涉及使用人工神经网络（ANN）对这些估计量进行仿真，从而能够高效地探索参数空间。利用一个光子守恒的半数值再电离模型，我们在固定红移（$z = 7.0$）处，针对与SKA-Low等未来望远镜相关的$k$模式构建了仿真器。我们通过同时改变宇宙学和天体物理参数以及初始条件，生成了约7000个训练样本，与真实模拟输出相比达到了高精度。在预测中，模型包含五个自由参数：三个宇宙学参数（$\Omega_m$、$h$、$\sigma_8$）和两个天体物理参数（电离效率$\zeta$和最小暗晕质量$M_{\mathrm{min}}$）。利用再电离中期的基准模型，我们创建了一个模拟数据集，并使用训练好的仿真器进行预测。假设5%的观测误差与仿真器误差相结合，我们发现21厘米功率谱和21厘米-密度互相关功率谱能够在95%置信区间内将哈勃参数（$h$）约束到优于6%，并对全局中性氢比例（$Q_{\mathrm{HI}}$）施加了严格约束。偏置信息的加入进一步改善了对$\sigma_8$的约束（在95%置信度下<10%）。最后，使用两种替代电离状态和一种具有更高观测误差的变体进行的稳健性测试表明，即使宇宙学约束减弱，电离比例仍能被可靠地恢复。