从 CMB 能谱中提取细微信息

宇宙微波背景 (CMB) 频率谱偏离黑体辐射的现象——通常称为谱畸变——编码了早期宇宙（红移 $z < \text{few} \times 10^6$）热历史的信息。虽然该信号通常被表征为 $\mu$ 型和 $y$ 型畸变，但在中间红移 $10^4 < z < 3 \times 10^5$ 处也可能产生较小的残余（非 $y$/非 $\mu$）畸变。在此，我们构建了一组新的可观测量 $\mu_k$，用于描述该残余畸变的主成分。这些主成分与温度偏移、$y$ 型和 $\mu$ 型畸变正交，并按其可探测性排序，从而实现对 CMB 能谱所提供的所有有价值信息的压缩。该方法为针对特定实验设置分析谱畸变提供了一种高效途径，并可应用于广泛的能量释放情景。作为示例，我们讨论了针对 PIXIE 型实验，对由小尺度声波耗散和衰变/湮灭粒子引起的谱畸变特征的分析。我们提供了每种情况下模型参数预期测量不确定度和探测极限的预测。此外，我们表明，对于具有小幅跑动的近标度不变原初功率谱，PIXIE 型实验原则上可以区分耗散性能量释放与粒子衰变。因此，未来的 CMB 光谱学为探测原初宇宙中的物理过程提供了独特的探针。