利用默奇森宽场阵列探测 21 cm 涨落的升起与衰落

我们利用辐射转移模拟对再电离过程和 21 cm 信号进行建模，预测了默奇森宽场阵列 (MWA) 测量宇宙氢 21 cm 功率谱的灵敏度。MWA 对大约一个数量级的尺度敏感（波数 $k \sim 0.1 - 1\ h\ \mathrm{Mpc}^{-1}$），前景污染排除了在更大尺度上的测量，而热探测器噪声限制了小尺度的灵敏度。这主要转化为对两个数值的约束：在所探测尺度上 21 cm 功率谱的振幅和斜率。然而，我们发现这些量的红移演化可以提供关于再电离的重要信息。尽管功率谱在合理的模型之间存在显著差异，但一个普遍的预测是，在 MWA 尺度上，21 cm 功率谱的振幅在星系际介质 (IGM) 电离度约为 50% 的时期达到峰值。此外，随着电离分数的增加和 HII 区域尺度的增长，MWA 尺度上 21 cm 功率谱的斜率会变平。考虑到探测灵敏度，我们表明用于功率谱测量的最佳 MWA 天线配置应将所有 500 个天线单元尽可能紧密地排列在一个紧凑的核心中。在其最佳配置下，MWA 的灵敏度足以测量 21 cm 功率谱斜率和振幅的红移演化。探测到我们模型中特征性的红移演化将证实观测到的 21 cm 涨落起源于 IGM 而非前景，并对再电离期间 HII 区域的体积填充因子提供间接约束。在有利条件下经过两年的观测，MWA 可以将 $\langle x_i \rangle \sim 0.5$ 时期的填充因子约束在大约 $\pm 0.1$ 范围内（$2\sigma$ 置信度）。