利用小波散射变换探索再电离时期的宇宙 21 厘米信号

探测再电离时期与宇宙黎明期间的宇宙 21 厘米信号将揭示首批星系的性质并推进宇宙学参数估计。直到最近，从 21 厘米信号进行天体物理参数推断的主要焦点集中在功率谱（PS）上。然而，宇宙 21 厘米信号具有高度非高斯性，使得 PS 在刻画宇宙信号时并非最优。在这项工作中，我们引入了一种称为小波散射变换（WST）的新技术来分析 21 厘米信号图像中的非高斯信息。该方法与卷积神经网络极为相似，且额外具有无需调参或训练神经网络的优点。相反，它将二维空间信息压缩为一组系数，使其更易于解释，同时也对宇宙 21 厘米信号中包含的非高斯信息提供了稳健的统计描述。首先，我们探索将 WST 应用于模拟 21 厘米图像，通过与已知的 21 厘米 PS 行为进行比较来获得有价值的物理见解。随后，我们利用平方公里阵列（Square Kilometre Array）一次现实的 1000 小时模拟观测，使用费雪矩阵（Fisher Matrices）提取天体物理参数约束，定量地探索了应用于 21 厘米信号的 WST。我们发现：（i）仅应用于二维图像的 WST 可以优于三维球平均 21 厘米 PS；（ii）剔除前景污染模式会使 WST 的约束能力退化约 1.5–2 倍；（iii）21 厘米图像间更高的采样频率可进一步提升约束能力。