利用运动学 Sunyaev-Zel'dovich 效应与 CMB-S4 缓解光学深度简并

再电离时期是宇宙历史上的主要相变之一,也是正在进行和即将开展的宇宙微波背景(CMB)实验的焦点,这些实验对小尺度涨落具有更高的灵敏度。再电离也代表了 CMB 导出的宇宙学参数约束的一个显著污染,原因在于汤姆孙散射光学深度 $\tau$ 与标量扰动幅度 $A_s$ 之间的简并。这一简并进而阻碍了大尺度结构数据约束中微子质量总和的能力,而后者是 2020 年代宇宙学的主要目标。在这项工作中,我们探索运动学 Sunyaev-Zel'dovich (kSZ) 效应作为再电离的探针,并表明它可用于借助即将开展的 CMB-S4 实验的高灵敏度、高分辨率数据来缓解光学深度简并。我们讨论了 kSZ 功率谱对物理再电离模型参数以及经验再电离参数(即 $\tau$ 与再电离持续时间 $\Delta z$)的依赖性。我们表明,通过结合 kSZ 两点函数与重构的 kSZ 四点函数,可以强烈打破 $\tau$ 与 $\Delta z$ 之间的简并,从而对两个参数给出严格约束。我们预测,对于 CMB-S4 与 Planck 数据的组合(包含对前景与大气噪声的细致处理),有 $\sigma(\tau) = 0.003$ 与 $\sigma(\Delta z) = 0.25$。对 $\tau$ 的约束几乎与从大角尺度 CMB 偏振数据可实现的宇宙方差极限相同。因此,kSZ 效应不仅有希望产生关于再电离时期的详细信息,还能实现对中微子质量的高精度宇宙学约束。