Precision cosmology with 21cm intensity mapping in the - PowerPoint PPT Presentation

Precision ¡cosmology ¡with ¡21cm ¡intensity ¡ mapping ¡in ¡the ¡post-­‑reioniza7on ¡era ¡ Francisco ¡Villaescusa-­‑Navarro ¡-­‑-­‑-­‑ ¡INAF/INFN ¡Trieste ¡ ¡ ICTP, ¡Trieste, ¡Italy ¡– ¡13/05/2015

MOTIVATION ¡

MOTIVATION ¡ • Study ¡the ¡Epoch ¡Of ¡Reioniza@on ¡(EOR). ¡ • Fundamental ¡to ¡understand ¡galaxy ¡forma@on/evolu@on. ¡ 2 ( k , z ) P • Constrains ¡the ¡cosmological ¡parameters. ¡ P 21 cm ( k , z ) = b 21 cm m ( k , z ) Need ¡to ¡model ¡the ¡HI ¡ distribu@on ¡as ¡best ¡as ¡ possible ¡to ¡retrieve ¡the ¡ maximum ¡informa@on ¡ from ¡surveys ¡ z ~ [2 − 5]

MODELING ¡THE ¡HI ¡DISTRIBUTION ¡ HI ¡ Hydrogen ¡ HII ¡ phases ¡ H 2 ¡

NEUTRAL ¡HYDROGEN: ¡PROPERTIES ¡ H 2 ¡ HII ¡ HI ¡ Hydrogen ¡phases ¡ Photo-­‑ioniza;on ¡with ¡UVB ¡ HII ¡ 1) Low ¡density ¡environments ¡ HI ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(Lyman-­‑alpha ¡forest) ¡ ¡ ¡ ¡ HI ¡self-­‑shielding ¡ ¡ ¡ forma;on ¡of ¡molecular ¡hydrogen ¡ ¡ HI ¡ H 2 ¡ HII ¡ ¡ 2) ¡High ¡density ¡environments ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(galaxies) ¡ H 2 ¡ HI ¡ HII ¡

N-­‑body ¡simula7ons ¡ GADGET-­‑III ¡ • Radia@ve ¡cooling ¡by ¡H ¡and ¡He ¡ ✔ ¡ Photo-­‑ioniza@on ¡equilibrium ¡ • Hea@ng ¡by ¡uniform ¡UV ¡background ¡ ✗ ¡ HI ¡self-­‑shielding ¡ ¡ ¡ • Star ¡forma@on ¡ ✗ ¡ Presence ¡of ¡H 2 ¡ ¡ ¡ • Feedback ¡(galac@c ¡winds) ¡

MODELING ¡THE ¡HI ¡DISTRIBUTION ¡ Pseudo-­‑RT ¡post-­‑processing ¡ 1. Photo-­‑ioniza@on ¡equilibrium ¡ 2. HI ¡self-­‑shielding ¡ 3. Presence ¡of ¡H 2 ¡ • Dave ¡et ¡al. ¡2013 ¡ • Rahma; ¡et ¡al. ¡2013 ¡

MODELING ¡THE ¡HI ¡DISTRIBUTION ¡ Pseudo-­‑RT ¡post-­‑processing ¡ Method ¡ Photo-­‑ioniza7on ¡ HI ¡self-­‑shielding ¡ equilibrium ¡ h Dave ¡et ¡al. ¡ r lim 2013 ¡ ! $ 0.76 m HI HI / H → ρ , T , Γ HI # & h " H % W ( r , h ) dr = 10 17.2 cm − 2 ∫ N HI = m H Tuned ¡to ¡reproduce ¡the ¡<F> ¡of ¡the ¡Lya ¡forest ¡ r lim ¡ HI / H → ρ , T , Γ HI Rahma@ ¡et ¡ α 1 ) , β α 2 # & ) , Γ phot = (1 − f ) 1 + n H + f 1 + n H al. ¡2013 ¡ + . % ( + . n 0 n 0 Γ UVB + . $ ' * - * -

MODELING ¡THE ¡HI ¡DISTRIBUTION ¡ Pseudo-­‑RT ¡post-­‑processing ¡ Method ¡ Presence ¡of ¡H 2 ¡ ¡ ¡ 0.8 R mol = Σ H 2 $ ' P / k B = & ) ¡ 1.7 × 10 4 cm − 3 K % ( Σ HI Dave ¡ Blitz ¡& ¡Rosolowsky ¡2006 ¡ THINGS: ¡Leroy ¡et ¡al. ¡2008 ¡ ¡ & ¡ Rahma@ ¡ s = ln(1 + 0.6 χ + 0.01 χ 2 ) 0.75 s f H 2 = 1 − 1 + 0.25 s 0.6 τ c χ = 0.756(1 + 3.1 Z 0.365 ) τ c = Σ σ d / µ H Krumholz ¡& ¡Gnedin ¡2011 ¡

MODELING ¡THE ¡HI ¡DISTRIBUTION ¡

MODELING ¡THE ¡HI ¡DISTRIBUTION ¡ Pseudo-­‑RT ¡post-­‑processing ¡ b DLA ( z = 2.4) = 1.48 FVN, ¡Viel, ¡Da_a, ¡Choudhury, ¡2014 ¡

MODELING ¡THE ¡HI ¡DISTRIBUTION ¡ Pseudo-­‑RT ¡post-­‑processing: ¡problems ¡ • Computa@onally ¡very ¡expensive ¡ • Limited ¡to ¡rela@vely ¡small ¡volumes ¡ Hydrodynamical ¡simula@ons ¡ HOD/Halo ¡model ¡approach ¡ n ( M , z ) M HI ( M , z ) Pure ¡CDM ¡simula@ons ¡ ¡ ¡ ¡ b ( M , z ) ρ HI ( r | M , z ) Pinocchio ¡ ¡ ¡ P L ( k ) ¡ Halo ¡model ¡

MODELING ¡THE ¡HI ¡DISTRIBUTION ¡ Semi-­‑analy@c ¡model ¡ No ¡HI ¡outside ¡halos!!! ¡ Bagla ¡et ¡al. ¡2010 ¡ M HI ( M ) Barnes ¡& ¡Haehnelt ¡2014 ¡ ρ HI ( r ) Tuned ¡to ¡fit ¡the ¡HI ¡CDDF ¡ Find ¡DM ¡halos ¡ ¡ Compute ¡M HI (M) ¡ Distribute ¡according ¡to ¡ρ HI (r) ¡

MODELING ¡THE ¡HI ¡DISTRIBUTION ¡

MODELING ¡THE ¡HI ¡DISTRIBUTION ¡ Semi-­‑analy@c ¡model ¡ Model ¡1 ¡ b DLA ( z = 2.4) = 1.47 Model ¡2 ¡ b DLA ( z = 2.4) = 2.17 FVN, ¡Viel, ¡Da_a, ¡Choudhury, ¡2014 ¡

21 ¡cm ¡signal: ¡detectability ¡& ¡imaging ¡ SKA1-­‑MID: ¡ ¡250 ¡antennae, ¡15 ¡m ¡ 100 hours SKA1 ¡LOW: ¡ ¡ 911 ¡antennae, ¡35 ¡m ¡ FVN, ¡Viel, ¡Da_a, ¡Choudhury, ¡2014 ¡

Precision ¡cosmology ¡with ¡SKA ¡ With ¡Philip ¡Bull ¡and ¡Ma_eo ¡Viel ¡ ¡

Cross-­‑correla7ng ¡21cm ¡intensity ¡maps ¡with ¡ Lyman ¡Break ¡Galaxies ¡in ¡the ¡post-­‑reioniza7on ¡era ¡ ¡ FVN, ¡Viel, ¡Alonso, ¡Da_a, ¡Bull, ¡Santos, ¡2014 ¡

Cross-­‑correla7ng ¡21cm ¡intensity ¡maps ¡with ¡ Lyman ¡Break ¡Galaxies ¡in ¡the ¡post-­‑reioniza7on ¡era ¡ ¡ FVN, ¡Viel, ¡Alonso, ¡Da_a, ¡Bull, ¡Santos, ¡2014 ¡

Cross-­‑correla@ng ¡21cm ¡intensity ¡maps ¡with ¡ Lyman ¡Break ¡Galaxies ¡in ¡the ¡post-­‑reioniza@on ¡era ¡ ¡ Neutral ¡hydrogen ¡ Lyman ¡Break ¡Galaxies ¡ All ¡HI ¡resides ¡in ¡halos ¡ Halo ¡Occupa@on ¡Distribu@on ¡(HOD) ¡ ( M HI ( M ) b DLA α ! $ M * if M > M min * # & ρ HI ( r ) M 1 N M = ) " % * Ω HI = ρ HI 0 if M ≤ M min HI ¡CDDF ¡ * + ρ c Bagla ¡et ¡al. ¡2010 ¡ Barnes ¡& ¡Haehnelt ¡2014 ¡

Cross-­‑correla7ng ¡21cm ¡intensity ¡maps ¡with ¡ Lyman ¡Break ¡Galaxies ¡in ¡the ¡post-­‑reioniza7on ¡era ¡ ¡ FVN, ¡Viel, ¡Alonso, ¡Da_a, ¡Bull, ¡Santos, ¡2014 ¡

Cross-­‑correla7ng ¡21cm ¡intensity ¡maps ¡with ¡ Lyman ¡Break ¡Galaxies ¡in ¡the ¡post-­‑reioniza7on ¡era ¡ ¡

Cross-­‑correla7ng ¡21cm ¡intensity ¡maps ¡with ¡ Lyman ¡Break ¡Galaxies ¡in ¡the ¡post-­‑reioniza7on ¡era ¡ ¡ FVN, ¡Viel, ¡Alonso, ¡Da_a, ¡Bull, ¡Santos, ¡2014 ¡

WDM ¡signatures ¡on ¡the ¡21cm ¡power ¡spectrum ¡ ¡

WDM ¡signatures ¡on ¡the ¡21cm ¡power ¡spectrum ¡ ¡ Carucci, ¡FVN, ¡Viel ¡& ¡Lapi ¡2015 ¡

CDM 1 keV WDM ’./figure_30Mpc_CDM_z3_zoom4.dat’ ’figure_30Mpc_1keV_z3_zoom4.dat’ 14 14 100 12 12 10 10 y [h -1 Mpc] total y [h -1 Mpc] 8 8 matter 6 6 10 4 4 2 2 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 x [h -1 Mpc] x [h -1 Mpc] 1e+07 ’figureHI_Bagla_30Mpc_CDM_z3_zoom4.dat’ ’figureHI_Bagla_30Mpc_1keV_z3_zoom4.dat’ 14 14 12 12 1e+06 HI 10 10 100000 halo y [h -1 Mpc] y [h -1 Mpc] 8 8 based 10000 6 6 4 4 1000 2 2 100 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 x [h -1 Mpc] x [h -1 Mpc] 1e+07 ’figureHI_Dave_30Mpc_CDM_z3_zoom4.dat’ ’figureHI_Dave_30Mpc_1keV_z3_zoom4.dat’ 14 14 1e+06 12 12 HI 10 10 100000 particle y [h -1 Mpc] y [h -1 Mpc] 8 8 based 10000 6 6 4 4 1000 2 2 100 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 x [h -1 Mpc] x [h -1 Mpc]

WDM ¡signatures ¡on ¡the ¡21cm ¡power ¡spectrum ¡ ¡ Carucci, ¡FVN, ¡Viel ¡& ¡Lapi ¡2015 ¡

SUMMARY ¡ ¡ 1. Crucial ¡to ¡model ¡the ¡HI ¡distribu@on ¡from ¡the ¡theory ¡side ¡ 2. Three ¡different ¡models ¡to ¡simulate ¡the ¡HI ¡distribu@on: ¡ • Pseudo-­‑RT ¡codes: ¡HI ¡assigned ¡to ¡gas ¡par@cles ¡individually ¡ • Semi-­‑analy@c ¡methods: ¡HI ¡assigned ¡to ¡gas ¡within ¡DM ¡halos ¡ 3. SKA ¡will ¡detect ¡the ¡21cm ¡P(k) ¡up ¡to ¡k ¡1-­‑5 ¡h/Mpc ¡depending ¡on ¡ redshii ¡and ¡model ¡ 4. Cross-­‑correla@ons ¡very ¡useful ¡for ¡foregrounds ¡ 5. WDM ¡signatures ¡in ¡the ¡amplitude ¡of ¡the ¡21cm ¡power ¡spectrum ¡