21cm light-cone reconstruction과 early universe tomography

21cm 관측은 중성수소(H I)가 방출하는 21cm 선을 이용해 cosmic dawn과 reionization 시기의 우주 밀도 요동과 ionization 구조를 3차원적으로 관측하는 혁신적 기법이다. 이 시기는 별과 은하가 최초로 형성되고, 초기 구조가 빠른 속도로 성장하며, ionizing source가 주변 IGM을 재이온화하기 시작하는 매우 복잡한 단계로, 기존의 CMB·galaxy survey만으로는 충분히 복원할 수 없었다. 하지만 21cm signal은 중성수소의 분포와 온도, spin temperature, ionization fraction이 시간에 따라 어떻게 변화하는지를 거의 직접적으로 기록해 early universe tomography를 가능하게 한다. 실제 관측에서는 redshift가 시간축과 동일하게 연결되어 있기 때문에, telescope가 측정하는 21cm map은 단순한 3D snapshot이 아니라 “light-cone structure”를 따른다. 즉 한 관측 map 내부에서도 redshift 방향을 따라 시간 진화가 연속적으로 반영되어 있고, 이 비정상성(non-stationarity)은 신호 해석과 reconstruction을 어렵게 만든다. light-cone reconstruction은 이러한 시간 진화를 분리·보정해 선형 또는 준선형 초기 조건에 가까운 21cm 구조를 복원하는 기술이며, early universe tomography의 핵심 요소로 자리 잡고 있다. 이번 글에서는 light-cone distortion이 발생하는 이유, reconstruction formalism, ionization·thermal coupling이 reconstruction에 미치는 영향, 그리고 cosmic dawn physics를 재구성하는 cosmological application을 전문적으로 정리한다.

21cm light-cone 구조의 물리적 기원

21cm 관측은 관측 주파수와 redshift가 일대일로 대응되기 때문에, 맵의 각 slice는 서로 다른 cosmic time을 나타낸다. 예를 들어 낮은 주파수는 더 높은 redshift에 해당하며, cosmic dawn의 초기 단계 신호를 기록하지만 높은 주파수는 reionization 후반부 혹은 post-reionization 신호를 기록한다. 이처럼 map 내부에서 시간축이 펼쳐져 있기 때문에 density fluctuation과 ionization structure는 redshift 방향으로 빠르게 변하며, 이를 light-cone effect라 한다. light-cone effect는 anisotropy를 강하게 만들어 power spectrum 분석을 왜곡하고, 나아가 simple cubic volume에서 정의되는 3D Fourier statistics를 붕괴시킨다. 따라서 21cm tomography를 안정적으로 수행하려면 이 시간 진화에 따른 비정상성을 제거하거나 재보정하는 reconstruction 단계가 필수적이다.

Light-cone reconstruction formalism과 time-slice 재정렬

light-cone reconstruction의 핵심 목표는 관측된 21cm cube를 물리적 시간 t 혹은 scale factor a에 따른 quasi-stationary 3D field로 재정렬하는 것이다. 가장 기본적인 방식은 narrow redshift slicing으로, map을 매우 얇은 Δz bin으로 나누어 각각을 거의 “정지한” snapshot처럼 다루는 방식이다. 그러나 Δz를 작게 하면 noise와 foreground residual 영향이 커지는 문제가 있다. 보다 발전된 방식은 backward evolution(perturbative time evolution reversal)을 통해 특정 z_ref로 신호를 재매핑하는 방법이다. 이 방식은 21cm brightness temperature가 density fluctuation, spin temperature, ionization fraction의 함수로 구성된다는 점을 이용해 각 redshift slice를 물리 모델 기반으로 보정하여 동일 epoch의 equivalent field로 변환한다. 또한 mode-by-mode evolution equation을 사용해 anisotropic growth를 보정하는 tidal reconstruction 기반 알고리즘도 제안되고 있다.

Thermal·ionization coupling 물리와 reconstruction의 상호작용

21cm signal의 진화는 단순 밀도 요동만이 아니라 spin temperature T_S, kinetic temperature T_K, Lyα coupling strength(Wouthuysen–Field coupling), ionization fraction x_{H I} 등 다양한 물리적 항목에 의해 좌우된다. 이 때문에 light-cone reconstruction을 수행할 때 각 epoch의 물리 조건을 정확히 모델링해야 한다. 예를 들어 cosmic dawn의 Lyα pumping은 spin temperature를 급격하게 background radiation과 decouple시키기 때문에 brightness temperature fluctuation의 contrast를 강화한다. 반면 reionization 후기에는 ionized bubble이 빠르게 성장하며 non-Gaussianity가 크게 증가한다. 이러한 비선형 효과는 reconstruction 과정에서 time evolution 보정의 accuracy를 결정하는 중요한 요소로 작용하며, 이를 위해 semi-numerical 모델과 radiative transfer 기반 emulator가 함께 활용된다.

Early universe tomography와 initial condition 복원

light-cone reconstruction을 수행하면 21cm cube 내부에 혼합되어 있던 시간 진화를 분리해, cosmic dawn–reionization 전 과정을 연속된 quasi-static 3D sequence로 재구성할 수 있다. 이는 early universe tomography의 출발점이다. tomography는 reionization bubble의 크기 분포, Lyα background intensity evolution, cold neutral medium의 heating rate 등 다양한 파라미터를 시간 축에 따라 정량적으로 측정할 수 있게 한다. reconstruction precision이 충분히 향상되면 초기 density field 또는 gravitational potential의 long-wavelength mode까지 부분적으로 복원할 수 있으며, 이는 BAO scale damping 복원, primordial non-Gaussianity 분석, scale-dependent feature 탐색에 중요한 기반이 된다. 특히 21cm은 CMB와 달리 여러 epoch의 정보를 제공하기 때문에 inflation 이후 초기 조건이 어떤 방식으로 cosmic dawn까지 전달되었는지를 직접적으로 추적할 수 있다.

21cm light-cone reconstruction은 early universe tomography의 핵심 단계다

21cm signal은 우주의 가장 초기 단계에서 형성된 구조의 진화를 시간축을 따라 연속적으로 기록하지만, 이로 인해 map 내부에서 비정상성과 anisotropy가 강하게 나타난다. light-cone reconstruction은 이러한 시간 의존성을 제거해 특정 epoch의 quasi-static 구조를 복원하는 기술이며, 이를 통해 cosmic dawn과 reionization의 물리 과정을 3D로 재구성할 수 있다. 향후 SKA, HERA, LOFAR, ngVLA 같은 차세대 관측에서는 light-cone reconstruction의 정확도가 비약적으로 향상될 것이며, early universe physics—특히 첫 별 형성, ionization topology, initial condition constraints—을 정밀하게 규명할 수 있을 것이다. 이는 우주의 가장 초기 단계로부터 현재에 이르기까지의 구조 형성 과정을 전례 없는 해상도로 재구성하는 길을 열어줄 것이다.

이 글은 21cm light-cone reconstruction과 early universe tomography의 이론적 구조를 설명한 것이며, 실제 reconstruction algorithm 및 radiative transfer modeling은 전문 연구에서 더 깊이 다뤄진다.