強度マッピング

宇宙論において、強度マッピングは、分解されていないガス雲からの統合された電波放射を使用して宇宙の大規模構造を調査するための観測技術です。

最も一般的な変種である21 cm 強度マッピングでは、中性水素の21cm 輝線を使用してガスを追跡します。水素は基礎となる宇宙密度場の変動に従い、高密度の領域ではより高い強度の放射が発生します。したがって、強度変動を使用して物質変動のパワースペクトルを再構築できます。輝線の周波数は宇宙の膨張によって赤方偏移するため、広い周波数帯域をカバーする無線受信機を使用することで、この信号を赤方偏移の関数として、つまり宇宙時間の関数として検出できます。これは原理的には銀河の赤方偏移サーベイに似ていますが、銀河を個別に検出して測定する必要があるという重要な違いがあり、強度マッピングの方がかなり高速な方法です。^[1]

• 1977年8月: VarshalovichとKhersonskii ^[2]は、高赤方偏移での21cm線吸収がCMBのスペクトルに与える影響を計算した。
• 1996年8月：マダウ、メイクシン、リース^[3]は、再電離期を調べる方法として強度マッピングを提案した。
• 2001年12月： BharadwajとSethi ^[4]は、中性水素の強度マップを使用して再電離後の時代の物質分布を観測することを提案した。
• 2004年1月： Battye、Davies、Weller ^[5]は、21cmの強度マップを使用してダークエネルギーを測定することを提案した。
• 2006年6月：ピーターソン、バンデューラ、ペン^[6]がハッブル球水素サーベイを提案
• 2009年3月:グリーンバンク望遠鏡によって、赤方偏移1.12 ^[7]までの宇宙論的HI信号が初めて観測されました。
• 2013年1月：カナダのブリティッシュコロンビア州でCHIME実験^[8]の建設が始まる。

強度マッピングは、いくつかの異なる領域における宇宙物質密度場を測定する方法として提案されてきました。

再結合と再電離の期間、宇宙のバリオン成分（主に水素）は中性相で存在していた。この時点から再電離の終わりまでずっと21 cmの放射を検出することは、初期構造形成を研究する強力な方法として提案されている。 ^[9]宇宙の歴史のこの期間はからまでの赤方偏移に対応しており、これは50～200 MHzの強度マッピング実験の周波数範囲を意味している。 ${\displaystyle z\approx 30}$${\displaystyle z\approx 6-12}$

宇宙が再電離した後、残った中性水素のほとんどは、電離紫外線から保護された減衰ライマンアルファ系と呼ばれる高密度のガス雲に蓄えられます。これらは主に銀河に存在するため、中性水素信号は実質的に銀河分布のトレーサーとなります。

銀河の赤方偏移調査と同様に、強度マッピング観測は、物質パワースペクトルの重粒子音響振動特性を標準物差しとして使用することで、宇宙の形状と膨張率（したがってダークエネルギーの特性^[1]）を測定するために使用できます。一般相対性理論の修正をテストするのに有用な構造の成長率^[10]も、赤方偏移空間歪みを使用して測定できます。これらの特徴は両方とも数十から数百メガパーセクの大規模なスケールで見られるため、中性水素の低角度解像度（未分解）マップで十分に検出できます。これを、通常は直径が数十キロパーセクしかない個々の銀河を検出する必要がある赤方偏移調査の解像度と比較する必要があります。

強度マッピング調査は従来の光学赤方偏移調査よりもはるかに高速に実行できるため、宇宙のかなり大きな体積をマッピングすることが可能です。そのため、強度マッピングは、インフレーションによる原始的非ガウス性[ 11 ]^や物質相関関数に対する一般相対論的補正など、非常に大規模な現象を測定する方法として提案されています。^[12]

原理的には、検出できる輝線であれば、どの輝線でも強度マップを作成するために使用できます。宇宙論的トレーサーとして提案されている他の輝線には、次のものがあります。

• 一酸化炭素などの分子の回転遷移^[13]
• イオン化炭素などの種からの微細構造遷移^[14]
• 水素からのライマンアルファ放射^[15]

以下の望遠鏡は、強度マッピング調査を実施したか、将来実施する予定です。

• 天来（中国）^[16]
• ビンゴ（ブラジル/ウルグアイ/イギリス）
• CHIME（カナダ）
• COMAP（アメリカ）^[17]
• FAST（中国）
• グリーンバンク望遠鏡（米国）
• HIRAX（南アフリカ）
• KAT7（南アフリカ）
• MeerKAT（南アフリカ）^[18]
• パークス電波望遠鏡（オーストラリア）
• 紙（アメリカ/南アフリカ/オーストラリア）
• 平方キロメートルアレイ（南アフリカ/オーストラリア）

ゴダード宇宙飛行センターでは、強度マッピング実験のリストもホストしています。

• 強度マッピングに関するオックスフォード・マーティン・ワークショップ
• 強度マッピングに関するRAS討論会
• CHIME実験