利用 CMB 光学深度涨落与康普顿 y 图交叉关联的首个测量约束再电离

我们提出了一种使用宇宙微波背景（CMB）观测的再电离新探针：探测积分电子密度的 CMB 光学深度涨落 $\delta\tau$ 与探测积分电子压力的康普顿 $y$-图之间的交叉关联。该交叉关联比 $y$-图功率谱受晚期星系团贡献的污染小得多。此外，该交叉关联可约束电离泡的温度，而光学深度涨落与运动 SZ 效应则不能。我们使用 Planck $y$-图以及从 Planck CMB 温度数据重建的光学深度涨落图测量了这一新观测量。我们利用测量结果推导了电离泡内部温度的首个仅由 CMB 给出的上限，$T_{\rm b}\lesssim 7.0\times10^5\,$K（$2\,\sigma$）。我们还给出了未来预测，假设一个具有特征再电离泡尺寸 $R_{\rm b}=5\,$Mpc 和 $T_{\rm b}=5\times10^4\,$K 的基准模型。使用信号主导的 PICO 类 $y$-图，基准交叉关联的信噪比在 CMB-S4 $\delta\tau$ 下变为 $\simeq7$，在 CMB-HD $\delta\tau$ 下变为 $\simeq13$。对于基准模型，我们预测 CMB-HD $-$ PICO 交叉关联应能对再电离参数实现精确测量：$T_{\rm b}\simeq 49800^{+4500}_{-5100}\,$K 和 $R_{\rm b}\simeq 5.09^{+0.66}_{-0.79}\,$Mpc。由于电子密度涨落的功率谱受 $\delta\tau$ 自谱约束，温度约束应仅弱依赖于电子分布细节的模型，并应在统计上代表再电离期间电离泡内的温度。因此，该交叉关联可能成为未来 CMB 实验的一个重要观测量。