莱曼β森林作为宇宙温度计

我们就莱曼α和莱曼β一维流量功率谱 ($P_{\alpha\alpha}$ 和 $P_{\beta\beta}$) 对高分辨率流体动力学模拟进行了全面分析。特别地，我们关注当星系际介质 (IGM) 热历史在涵盖参考模型的一系列数值范围内变化，而宇宙学参数固定为符合宇宙微波背景数据的最佳拟合值时，流量自功率谱和互功率谱 ($P_{\alpha\beta}$) 所表现出的行为。我们提出了经验拟合公式，以亚百分之一的精度描述了功率谱对热参数的依赖性。在最大尺度上，功率谱彼此之间显示出由描述 IGM 热状态的参数设定的恒定偏差。互功率谱呈现出振荡模式，并在一个取决于 $T_0$（平均密度处的 IGM 温度）的尺度上穿过零点，这对于 IGM 温度 - 密度关系 ($T=T_0(1+\delta)^{\gamma-1}$) 的幂律指数 $\gamma$ 的合理取值均成立。通过执行费雪矩阵 (Fisher matrix) 分析，我们发现功率谱 $P_{\beta\beta}$ 比单独的 $P_{\alpha\alpha}$ 对热历史更敏感，这是因为它探测的是比莱曼α更稠密的区域。当我们结合功率谱和互功率谱时，对 $\gamma$ 的约束可提高约 4 倍，而对 $T_0$ 的约束可提高约 2 倍。我们通过模拟真实观测探讨了信噪比和分辨率的作用，并得出结论：本文提出的框架可以显著增进对 IGM 热状态的了解，进而保证对源自 IGM 的宇宙学参数获得更好的约束。