Effects of the Sources of Reionization on 21cm Redshift - - PowerPoint PPT Presentation

Effects ¡of ¡the ¡Sources ¡of ¡ Reionization ¡on ¡21cm ¡ ¡ Redshift ¡Space ¡Distortions ¡ ¡

Suman ¡Majumdar ¡ ¡

Department ¡of ¡Astronomy ¡ Stockholm ¡University ¡ ¡ Collaborators: ¡ ¡ ¡

Hannes ¡Jensen, ¡Garrelt ¡Mellema, ¡Emma ¡Chapman, ¡ ¡ Filipe ¡Abdalla, ¡Ilian ¡Iliev, ¡Kanan ¡Datta ¡…………………. ¡ ¡

Main ¡Anisotropies ¡along ¡the ¡LoS ¡

• Redshift ¡Space ¡Distortions. ¡
• Effect ¡of ¡the ¡Finite ¡Light ¡Travel ¡Time ¡

(Light ¡Cone ¡Effect). ¡

Redshift ¡Space ¡Distortion ¡

Line ¡of ¡Sight ¡

Redshift ¡Space ¡Distortion ¡ Line ¡of ¡Sight ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Real ¡Space ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Redshift ¡Space ¡

Redshift ¡Space ¡Distortion ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Real ¡Space ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Redshift ¡Space ¡ Line ¡of ¡Sight ¡

Power ¡Spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

Observed ¡power ¡spectrum ¡will ¡be ¡“anisotropic” ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(or ¡LoS ¡dependent) ¡ ¡ LoS ¡ θ k ¡

Power ¡spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

• Kaiser, ¡N., ¡1987, ¡MNRAS, ¡227, ¡1 ¡
• Hamilton, ¡A. ¡J. ¡S., ¡1992, ¡APJL, ¡385, ¡L5 ¡

¡

Legendre ¡ Polynomial ¡

Power ¡spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

• Kaiser, ¡N., ¡1987, ¡MNRAS, ¡227, ¡1 ¡
• Hamilton, ¡A. ¡J. ¡S., ¡1992, ¡APJL, ¡385, ¡L5 ¡

¡

Angular ¡ Multipoles ¡

Power ¡spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

• Kaiser, ¡N., ¡1987, ¡MNRAS, ¡227, ¡1 ¡
• Hamilton, ¡A. ¡J. ¡S., ¡1992, ¡APJL, ¡385, ¡L5 ¡

¡

Angular ¡ Multipoles ¡

Power ¡spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

• Kaiser, ¡N., ¡1987, ¡MNRAS, ¡227, ¡1 ¡
• Hamilton, ¡A. ¡J. ¡S., ¡1992, ¡APJL, ¡385, ¡L5 ¡

¡

Power ¡spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

Monopole ¡ Quadrupole ¡ Hexadecapole ¡

Power ¡spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

Monopole ¡ Quadrupole ¡ Hexadecapole ¡

• Majumdar, ¡Bhardwaj ¡& ¡Choudhury, ¡2013, ¡MNRAS, ¡434, ¡3 ¡
• Majumdar, ¡Mellema, ¡Datta ¡et ¡al., ¡2014, ¡MNRAS, ¡443, ¡4 ¡

• Majumdar, ¡Bhardwaj ¡& ¡Choudhury, ¡2013, ¡MNRAS, ¡434, ¡3 ¡
• Majumdar, ¡Mellema, ¡Datta ¡et ¡al., ¡2014, ¡MNRAS, ¡443, ¡4 ¡

Model ¡with ¡Quasi-­‑linear ¡Approximations ¡

when ¡TS ¡>> ¡TCMB ¡ ¡

• Majumdar, ¡Bhardwaj ¡& ¡Choudhury, ¡2013, ¡MNRAS, ¡434, ¡3 ¡
• Majumdar, ¡Mellema, ¡Datta ¡et ¡al., ¡2014, ¡MNRAS, ¡443, ¡4 ¡

Model ¡with ¡Quasi-­‑linear ¡Approximations ¡

when ¡TS ¡>> ¡TCMB ¡ ¡

• Majumdar, ¡Bhardwaj ¡& ¡Choudhury, ¡2013, ¡MNRAS, ¡434, ¡3 ¡
• Majumdar, ¡Mellema, ¡Datta ¡et ¡al., ¡2014, ¡MNRAS, ¡443, ¡4 ¡

Model ¡with ¡Quasi-­‑linear ¡Approximations ¡

when ¡TS ¡>> ¡TCMB ¡ ¡

• Majumdar, ¡Bhardwaj ¡& ¡Choudhury, ¡2013, ¡MNRAS, ¡434, ¡3 ¡
• Majumdar, ¡Mellema, ¡Datta ¡et ¡al., ¡2014, ¡MNRAS, ¡443, ¡4 ¡

Model ¡with ¡Quasi-­‑linear ¡Approximations ¡

when ¡TS ¡>> ¡TCMB ¡ ¡

• Majumdar, ¡Bhardwaj ¡& ¡Choudhury, ¡2013, ¡MNRAS, ¡434, ¡3 ¡
• Majumdar, ¡Mellema, ¡Datta ¡et ¡al., ¡2014, ¡MNRAS, ¡443, ¡4 ¡

Model ¡with ¡Quasi-­‑linear ¡Approximations ¡

Quadrupole ¡Moment ¡

What ¡happens ¡to ¡the ¡quadrupole ¡moment ¡ under ¡different ¡reionization ¡source ¡models? ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Effect ¡of ¡Spin ¡Temperature ¡Fluctuations ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Effect ¡of ¡Spin ¡Temperature ¡Fluctuations ¡

Ghara, ¡Choudhury ¡& ¡Datta, ¡2015, ¡MNRAS, ¡447, ¡2 ¡

xHI ¡~ ¡1 ¡ xHI ¡~ ¡0.98 ¡ xHI ¡~ ¡0.44 ¡

Effect ¡of ¡Spin ¡Temperature ¡Fluctuations ¡

Simulation ¡ ¡

• DM ¡distribution: ¡P3M ¡N-­‑body ¡simulation ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(from ¡PRACE4LOFAR ¡project, ¡Dixon ¡et ¡al. ¡in ¡prep.) ¡

• Box ¡size: ¡(714.28 ¡Mpc)3 ¡ ¡
• Minimum ¡halo ¡mass ¡used: ¡2.0x109 ¡Msun ¡
• 21-­‑cm ¡brightness ¡temperature ¡hields: ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Excursion ¡set ¡based ¡semi-­‑numerical ¡formalism ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(on ¡a ¡6003 ¡grid) ¡ ¡

• All ¡source ¡models ¡are ¡tuned ¡to ¡have ¡same ¡

reionization ¡history ¡(i.e. ¡xHI ¡vs ¡z) ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Source ¡Models ¡ ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Source ¡Models ¡ ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡ Uniform ¡Ionization ¡Background ¡

¡

Source ¡Models ¡ ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡ Soft ¡X-­‑ray ¡Photons ¡

¡

Source ¡Models ¡ ¡

• No. ¡of ¡photons ¡ ¡∝ ¡(halo ¡mass)n ¡

21-­‑cm ¡Maps ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

LoS ¡ 714.28 ¡Mpc ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡ Fiducial ¡ Clumping ¡ UIB ¡Dom ¡ SXR ¡Dom ¡ UV+SXR+UIB ¡ Pl ¡= ¡2 ¡

mK ¡

​"↓$% =0.5 ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Monopole ¡Moment ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Quadrupole ¡Moment ¡

'=(​)↑+, .=/​)↑+0 ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡​1↓'. =|(||/|​cos⁠(0−,) ¡

Cross-­‑Correlation ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Robustness ¡of ¡the ¡Quadrupole ¡Moment ¡

Robustness ¡of ¡the ¡Quadrupole ¡Moment ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Light ¡Cone ¡Effect ¡on ¡the ¡Quadrupole ¡Moment ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡ ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Robustness ¡of ¡the ¡Quadrupole ¡Moment ¡& ¡EoR ¡History ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Robustness ¡of ¡the ¡Quadrupole ¡Moment ¡& ¡EoR ¡History ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡ ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Robustness ¡of ¡the ¡Quadrupole ¡Moment ¡& ¡EoR ¡History ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Recovering ¡the ¡EoR ¡History ¡

Summary ¡

• The ¡quadrupole ¡moment ¡of ¡the ¡power ¡spectrum ¡

provides ¡a ¡very ¡robust ¡estimate ¡of ¡the ¡EoR ¡21-­‑cm ¡signal ¡ compared ¡to ¡the ¡monopole ¡moment. ¡

• It ¡is ¡very ¡insensitive ¡to ¡the ¡properties ¡of ¡the ¡reionization ¡

sources ¡(or ¡ionization ¡topology) ¡as ¡long ¡as ¡their ¡spatial ¡ distribution ¡is ¡even ¡loosely ¡correlated ¡to ¡the ¡ distribution ¡of ¡collapsed ¡bound ¡structures. ¡

• It ¡is ¡also ¡expected ¡to ¡be ¡less ¡sensitive ¡to ¡the ¡spin ¡

temperature ¡hluctuations ¡compared ¡to ¡the ¡monopole ¡

• moment. ¡
• This ¡roboustness ¡of ¡the ¡quadrupole ¡moment ¡can ¡be ¡

used ¡to ¡extract ¡the ¡history ¡of ¡EoR ¡very ¡efhiciently. ¡

Thanks ¡

How ¡good ¡are ¡the ¡quasi-­‑linear ¡approximations?? ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡ ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Robustness ¡of ¡the ¡Quadrupole ¡Moment ¡

Legendre ¡ Polynomial ¡

Power ¡spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

• Kaiser, ¡N., ¡1987, ¡MNRAS, ¡227, ¡1 ¡
• Hamilton, ¡A. ¡J. ¡S., ¡1992, ¡APJL, ¡385, ¡L5 ¡

¡

Angular ¡ Multipoles ¡

Power ¡spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

• Kaiser, ¡N., ¡1987, ¡MNRAS, ¡227, ¡1 ¡
• Hamilton, ¡A. ¡J. ¡S., ¡1992, ¡APJL, ¡385, ¡L5 ¡

¡

Power ¡Spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

Considering ¡the ¡model ¡with ¡quasi-­‑linear ¡ approximations ¡-­‑-­‑-­‑-­‑ ¡ ¡

Mao ¡et ¡al., ¡2013, ¡MNRAS, ¡2012, ¡422, ¡2 ¡

when ¡TS ¡>> ¡TCMB ¡ ¡

Power ¡Spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

Considering ¡the ¡model ¡with ¡quasi-­‑linear ¡ approximations ¡-­‑-­‑-­‑-­‑ ¡ ¡

Mao ¡et ¡al., ¡2013, ¡MNRAS, ¡2012, ¡422, ¡2 ¡

Power ¡Spectrum ¡ ¡

• f ¡total ¡

Matter ¡Density ¡ Field ¡

Power ¡Spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

Considering ¡the ¡model ¡with ¡quasi-­‑linear ¡ approximations ¡-­‑-­‑-­‑-­‑ ¡ ¡

Mao ¡et ¡al., ¡2013, ¡MNRAS, ¡2012, ¡422, ¡2 ¡

Power ¡Spectrum ¡ ¡

• f ¡ ¡

HI ¡Density ¡Field ¡

Power ¡Spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

Considering ¡the ¡model ¡with ¡quasi-­‑linear ¡ approximations ¡-­‑-­‑-­‑-­‑ ¡ ¡

Mao ¡et ¡al., ¡2013, ¡MNRAS, ¡2012, ¡422, ¡2 ¡

Cross-­‑Power ¡Spectrum ¡ ¡

• f ¡ ¡

HI ¡and ¡Matter ¡Density ¡Fields ¡

Power ¡Spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

Considering ¡the ¡model ¡with ¡quasi-­‑linear ¡ approximations ¡-­‑-­‑-­‑-­‑ ¡ ¡

Mao ¡et ¡al., ¡2013, ¡MNRAS, ¡2012, ¡422, ¡2 ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Recovering ¡the ¡EoR ¡History ¡

Monopole ¡Moment ¡

Majumdar, ¡Jensen, ¡Mellema ¡et ¡al., ¡2015, ¡in ¡prep. ¡

Power ¡Spectrum ¡in ¡Redshift ¡Space ¡

Effect ¡of ¡ ¡this ¡anisotropy ¡on ¡the ¡21-­‑cm ¡ ¡ power ¡spectrum ¡will ¡be ¡signihicant. ¡ ¡ ¡ ¡ LoS ¡ θ k ¡

• Bharadwaj ¡& ¡Ali, ¡2004, ¡MNRAS, ¡352, ¡142 ¡
• Bharadwaj ¡& ¡Ali, ¡2005, ¡MNRAS, ¡356, ¡4 ¡
• Barkana ¡& ¡Loeb, ¡2005, ¡ApJL, ¡624, ¡L65 ¡
• ........................................ ¡

HI ¡21-­‑cm ¡ ¡ Radiation ¡

21-­‑cm ¡is ¡unique ¡as ¡it ¡traces ¡the ¡evolution ¡of ¡the ¡state ¡

• f ¡hydrogen ¡along ¡the ¡Line ¡of ¡Sight ¡(LoS). ¡

¡ Anisotropies ¡along ¡the ¡LoS ¡are ¡important. ¡

!!Time ¡Travel!! ¡