利用 21cm 强度映射进行高红移再电离后宇宙学研究

我们研究了通过适当扩展现有及即将推出的射电望远镜（如 CHIME、HIRAX 和 FAST）在红移范围 $2.5<z<5$ 内进行宇宙学研究的可能性。我们使用 Fisher 矩阵技术预测这些仪器可以对增长率、BAO 距离尺度参数、中微子质量总和以及退耦时的相对论自由度数目 $N_{\rm eff}$ 施加的限制。我们指出，依赖于 21cm 功率谱振幅的量（如 $f\sigma_8$）与 $\Omega_{\rm HI}$ 和 $b_{\rm HI}$ 完全简并，并提出了几种通过与其它探针交叉相关来独立限制它们的策略。假设对 $\Omega_{\rm HI}$ 和 $b_{\rm HI}$ 有 $5\%$ 的先验，$k_{\rm max}=0.2~h{\rm Mpc}^{-1}$ 以及主波束楔形区，我们发现 HIRAX 的扩展可以在 $\Delta z=0.1$ 的 bin 内限制：1) $f\sigma_8$ 的值，精度约为 $4\%$；2) $D_A$ 和 $H$ 的值，精度约为 $1\%$。结合类 Euclid 星系巡天和 CMB S4 的数据，中微子质量总和的限制误差可达 $23$ meV ($1\sigma$)，而 $N_{\rm eff}$ 的限制可在 0.02 ($1\sigma$) 以内。我们推导了其他仪器扩展的类似限制。我们详细研究了我们的结果对仪器、HI 偏倚振幅、前景楔形区覆盖范围、分析中使用的非线性尺度、理论建模的不确定性以及 $b_{\rm HI}$ 和 $\Omega_{\rm HI}$ 先验的依赖性。我们得出结论，在此红移范围内运行的 21cm 强度映射巡天可以对关键宇宙学参数提供极具竞争力的限制。