利用小尺度 CMB 表征再电离时期：对光学深度与物理参数的约束

斑块状再电离在小尺度宇宙微波背景 (CMB) 温度涨落上留下诸多印记，其中最大的是运动学 Sunyaev-Zel'dovich (kSZ) 效应，即 CMB 光子被电离泡内运动电子散射产生的多普勒频移。长期以来人们已知，在 CMB 功率谱中，再电离的这一印记与晚期星系和星团产生的 kSZ 信号在很大程度上存在简并，从而限制了我们对再电离的约束能力。继 Smith & Ferraro (2017) 之后，通过观测小尺度 CMB 功率谱的大尺度调制，可以以模型无关的方式分离出再电离的贡献。在本文中，我们扩展了该理论体系，使用小尺度功率谱的完整形状信息（而非仅其宽带平均值），并论证这对于打破光学深度 $\tau$ 与设定再电离持续时间的参数之间的简并性是必要的。具体而言，我们表明下一代 CMB 实验对光学深度 $\tau$ 的约束精度可提升至 3 倍，同时将再电离持续时间的约束精度提高到约 25%。这有助于收紧受限于我们对 $\tau$ 认知的中微子质量约束，并揭示导致再电离的物理过程。