迷失的地平线：量化局部地形对全球21厘米宇宙学数据分析的影响

我们展示了一项关于地平线及其对全球21厘米观测与分析影响的研究。我们发现，在建模低频观测时地平线不可忽略。即便天空与天线波束被精确知晓，若缺乏地平线的准确知识，前向模型也无法完整描述波束加权的前景分量。在拟合数据以提取21厘米信号时，单一时间平均谱或独立的多谱拟合或能补偿地平线带来的偏差。然而，此类拟合对21厘米信号缺乏约束能力，导致信号提取的不确定性很大，某些情况下其量级甚至超过21厘米信号本身。通过执行以公共参数同时建模多个频谱的多谱拟合，可显著减小信号不确定性。但这一约束能力大幅提升的代价在于：必须精确建模地平线效应的时间依赖性（其比频谱依赖性更为复杂）方能获得良好拟合。为辅助地平线建模，我们提出一种算法及Python包，利用高程数据由给定观测站点计算地平线轮廓。我们还处理了若干实际关切，如像素化误差、地平线轮廓的不确定性，以及周边建筑与植被等前景遮挡。我们论证了基于训练集的分析流水线能够考量所有这些因素，从而足够好地建模地平线，以从模拟观测中精确提取21厘米信号。