Extrahieren von Informationsstücken aus dem Energie-Spektrum der CMB

Abweichungen des Frequenzspektrums der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB) von einem schwarzen Körper – allgemein als spektrale Verzerrungen bezeichnet – kodieren Informationen über die thermische Geschichte des frühen Universums (Rotverschiebung z < wenige x 10⁶). Während das Signal üblicherweise als mu- und y-Typ Verzerrung charakterisiert wird, kann auch eine kleinere Residualverzerrung (nicht-y/nicht-mu) bei intermediären Rotverschiebungen 10⁴ < z < 3 x 10⁵ erzeugt werden. Hier konstruieren wir eine neue Menge von Beobachtungsgrößen, muₖ, die die Hauptkomponenten dieser Residualverzerrung beschreibt. Die Hauptkomponenten sind orthogonal zur Temperaturverschiebung, y- und mu-Typ Verzerrung und sind nach ihrer Nachweisbarkeit geordnet, wodurch eine Kompression aller wertvollen Informationen, die vom CMB-Spektrum angeboten werden, bereitgestellt wird. Dieses Verfahren bietet eine effiziente Möglichkeit zur Analyse der spektralen Verzerrung für gegebene experimentelle Einstellungen und kann auf eine Vielzahl von Szenarien der Energieabgabe angewendet werden. Als Veranschaulichung diskutieren wir die Analyse der spektralen Verzerrungsmerkmale, die durch die Dissipation von kleinskaligen akustischen Wellen und zerfallenden/vernichtenden Teilchen für ein PIXIE-Typ-Experiment verursacht werden. Wir liefern Prognosen für die erwarteten Messunsicherheiten der Modellparameter und Erkennungsgrenzen in jedem Fall. Zudem zeigen wir, dass ein PIXIE-Typ-Experiment prinzipiell dissipative Energieabgabe von Teilchenzerfällen für ein nahezu skalen-invariantes primordiales Leistungsspektrum mit geringer Laufzeit unterscheiden kann. Zukünftige CMB-Spektroskopie bietet somit eine einzigartige Untersuchung physikalischer Prozesse im primordialen Universum.