Untersuchung des kleinräumigen Materiefeldspektrums mit großräumigen 21-cm-Daten

Die Verteilung der Materiefluktuationen in unserem Universum ist entscheidend für das Verständnis der Natur der Dunklen Materie und der Physik des frühen Kosmos. Verschiedene Beobachtungen konnten diese Verteilung in großem Maßstab abbilden, was den Wellenzahlen k10 Mpc^-1 entspricht, aber kleinere Skalen bleiben viel weniger eingeschränkt. In dieser Arbeit untersuchen wir die Empfindlichkeit bevorstehender Messungen der 21-cm-Linie von neutralem Wasserstoff für das kleinräumige Materiefeldspektrum. Die 21-cm-Linie ist ein vielversprechender Indikator für die frühe Sternenbildung, die in kleinen Halos (mit Massen M10^6--10^8 M_) stattfand, die aus Materieüberdichten mit Wellenzahlen bis zu k100 Mpc^-1 gebildet wurden. Hier prognostizieren wir, wie gut sowohl das globale 21-cm-Signal als auch seine Fluktuationen das Materiefeldspektrum während der kosmischen Dämmerung (z=12--25) erfassen könnten. In beiden Fällen stellen wir fest, dass die langwelligen Modi (mit k40 Mpc^-1) stark mit astrophysikalischen Parametern entartet sind, während die Modi mit k= (40--80) Mpc^-1 leichter zu beobachten sind. Dies wird weiter in Bezug auf die Hauptkomponenten des Materiefeldspektrums veranschaulicht, die bei k50 Mpc^-1 sowohl für ein typisches Experiment zur Messung des globalen 21-cm-Signals als auch seiner Fluktuationen ihren Höhepunkt erreichen. Wir stellen fest, dass ein Experiment mit globalem Signal, bei dem breite Priors auf astrophysikalischen Parametern auferlegt werden, die Amplitude des Materiefeldspektrums über k= (40--80) Mpc^-1 mit einer Genauigkeit von mehreren Prozent messen kann. Ein Fluktuationsexperiment hingegen kann das Feldspektrum mit ähnlicher Genauigkeit über die Bereiche k= (40--60) Mpc^-1 und (60--80) Mpc^-1 einschränken, auch ohne astrophysikalische Priors. Die in dieser Arbeit umrissenen Einschränkungen wären in der Lage, das Verhalten der Dunklen Materie in den kleinsten bisher gemessenen Skalen zu testen, etwa indem sie Masse von warmen Dunklen Materie bis zu mₖ₃₌=8 keV für das globale Signal und 14 keV für die 21-cm-Fluktuationen untersuchen. Dies könnte Licht auf die Natur der Dunklen Materie werfen, die über die Reichweite anderer kosmischer Proben hinausgeht.