利用 LOFAR 通过 21 厘米红移空间畸变探测再电离

研究再电离时期最有效的方法之一是通过射电观测来自中性氢的红移 21 厘米谱线发射。然而，红移到视线方向的映射会因气体的本动速度而发生畸变，这使得观测变得复杂。如果不被正确理解，这种畸变可能成为误差来源，但它们也编码了关于宇宙学和天体物理学的信息。我们使用大规模 $N$ 体和辐射转移模拟，研究了红移空间畸变对再电离时期 21 厘米辐射功率谱的影响。我们量化了红移空间畸变在 21 厘米功率谱中引入的各向异性，展示了它如何随再电离进程演化以及它与潜在物理学的联系。我们进一步在考虑仪器噪声和前景扣除的情况下，研究了红移空间畸变对 LOFAR 观测的影响。我们发现，在积分时间 $\gtrsim$ 1000 小时后，LOFAR 应该能够在 $k \sim 0.1$ Mpc$^{-1}$ 左右的空间尺度上直接观测由红移空间畸变引起的功率谱各向异性。在更大尺度上，样本误差成为限制因素；而在更小尺度上，探测器噪声和前景使得信号提取变得困难。最后，我们展示了如何从 LOFAR 观测中提取包含在 21 厘米功率谱各向异性演化中的天体物理信息，以及如何利用它来区分不同的再电离情景。