利用21厘米宇宙学消除CMB中的光学深度冗余参数

在CMB观测约束的标准模型参数中，光学深度 $\tau$ 是一个突出的冗余参数。虽然 $\tau$ 对再电离提供了一些粗略限制，它也降低了其他宇宙学参数的约束精度。本文探讨作为再电离直接探针的21厘米宇宙学如何被用于独立预测 $\tau$，以努力改善CMB参数约束。我们发展了两种互补方案来实现这一点。第一种利用21厘米功率谱观测结合半解析模拟来预测 $\tau$。另一种利用全球21厘米测量以相对模型无关的方式直接约束对 $\tau$ 的低红移（再加热后）贡献。通过对即将建成的Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) 的性能进行预测，我们发现可实现 $\tau$ 误差的显著减小。这些结果尤其有效地打破了 $\tau$ 与原始涨落谱振幅 $A_s$ 之间的CMB简并，使 $\ln (10^{10} A_s)$ 的误差最多减小为原来的四分之一。第四阶段CMB对中微子质量总和的约束也得到改善，误差可能降至 $12\,\textrm{meV}$，无论CMB实验能否精确测量偏振功率谱中的再电离隆起。因此，21厘米谱线的观测不仅能够增进我们对再电离天体物理的理解，也能普遍增进对宇宙学的理解。