宇宙黎明时期 21 cm 全局信号中的色散效应

来自中性氢的红移 21 cm 亮度分布是探测宇宙黑暗时代、宇宙黎明及再电离时期的有力探针。LOFAR 的低频天线（LBA）可用于 45 MHz 至 85 MHz（30>z>16）频段，测量作为频率函数（或等效为宇宙红移函数）的天空平均红移 21 cm 亮温。这些低频信号受到强烈的银河系前景辐射影响，该辐射通过依赖于频率的电离层和天线波束畸变被观测到，从而导致空间结构混入频谱结构的色散混合。利用简单模型，我们表明：(i) 由电离层折射和吸收引起的额外天线温度处于约 1% 的水平，比预期的 21 cm 信号高 2 到 3 个数量级，并具有近似 $\nu^{-2}$ 的依赖关系；(ii) 电离层折射导致天空频谱在 $\nu\approx 4\times$ 等离子体频率处出现膝状调制。利用更真实的模拟，我们表明在测量的天空频谱中，超过 50% 的 21 cm 信号方差可能因前景和色散效应的混淆而丢失。我们得出结论，前景和色散混合不能像以前认为的那样作为频率的通用函数被减去，而必须利用额外的先验信息和干涉测量进行仔细建模。