《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版（SCIENCE CHINA Physics,Mechanics&Astronomy, SCPMA）2023年第7期以封面文章的形式出版了东北大学张鑫教授团队的成果，文章题为“Prospects for measuring dark energy with 21 cm intensity mapping experiments: A joint survey strategy”，同期出版了中国科学院国家天文台陈学雷研究员撰写的点评文章。

该项研究提出了一个21厘米强度映射实验的联合巡天策略。利用联合巡天策略，21厘米强度映射巡天单独即可成为强大的宇宙学工具，在暗能量精确测量方面可发挥重要作用。论文第一作者为博士生武鹏举，通讯作者为张鑫教授。
利用中性氢的强度映射巡天实验，可以对暗能量进行射电测量。当前全球范围内已经运行或者在建的实验主要包括CHIME、Tianlai（天籁计划）、HIRAX、FAST（中国天眼）、BINGO、SKA-Mid。其中，BINGO、FAST和SKA-Mid用单碟模式测量；HIRAX、CHIME和Tianlai用干涉阵模式测量。
该项研究提出，由于不同的强度映射实验能力非常互补，在不同的红移范围（频率段）有各自的优势，因此可以考虑一个联合巡天策略，让它们各自发挥所长，从而节约宝贵的望远镜巡天时间。一个最佳的方案是FAST （0<0 .35）+ska1-mid（0.35<0 .8）+hirax（0.8<2 .5）。

图：FAST、SKA1-Mid和HIRAX的联合巡天观测对暗能量模型的限制结果。取自Sci. China Phys. Mech. Astron. 66（2023）7,270413。

图：21厘米强度映射巡天、引力波标准汽笛、快速射电暴和强引力透镜的协同观测对宇宙学参数的限制。21厘米强度映射观测在其中发挥主导性作用。取自JCAP 06 （2023）052。
利用这个联合巡天策略，作者发现，21厘米强度映射单独即可精确测量暗能量状态方程。例如，对于状态方程为常数的暗能量模型，w的精度可以达到2%左右，明显好于当前最好的来自CMB+BAO+SN的限制。对于动力学演化的状态方程，联合巡天对w0和wa的限制能力与CMB+BAO+SN相当。该工作表明，利用联合巡天策略，21厘米强度映射巡天单独即可成为强大的宇宙学工具，在暗能量精确测量方面可发挥重要作用。进一步，21厘米强度映射巡天如果与其他有潜力的晚期宇宙观测（如引力波标准汽笛、快速射电暴、强引力透镜等）联合，将有望实现晚期宇宙精确探针，而且21厘米观测将在其中发挥主导性作用。
据该团队介绍，对于中性氢的宇宙学观测来说，当前最大的挑战来自于前景减除，而在前景减除中最难对付的部分则是望远镜的各种系统效应。目前该团队也在致力于21厘米宇宙学观测的系统效应研究以及利用FAST对中性氢强度映射宇宙学信号的实际探测。展望未来，21厘米观测中的各种困难问题必然会逐步得到解决，其宇宙学信号也必将被成功探测到并在宇宙学研究中发挥重要作用。
该项研究由国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目资助。同时，工业智能与系统优化国家级前沿科学中心、智能工业数据解析与优化教育部重点实验室也对相关研究给予了大力支持。
论文链接：“Prospects for measuring dark energy with 21 cm intensity mapping experiments: A joint survey strategy”, Peng-Ju Wu, Yichao Li, Jing-Fei Zhang, Xin Zhang, Sci. China Phys. Mech. Astron. 66 (2023) 7, 270413
https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-022-2104-7
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https://mp.weixin.qq.com/s/WzvREt-O9OxbOC1QnMYktw