Patchy reionization이 CMB에 남기는 anisotropy 신호

reionization epoch은 우주 전체가 중성 상태에서 이온화된 상태로 전환되는 과정을 의미하며, 이 시기의 공간적 비균질성(patchiness)은 다양한 우주론적 관측 신호에 직접적인 흔적을 남긴다. 특히 patchy reionization은 cosmic microwave background(CMB)에 미세한 anisotropy를 유도하는데, 이는 Thomson scattering이 이온화된 영역에서만 발생한다는 점 때문에 electron density fluctuation이 CMB photon 경로에 비대칭적인 영향을 주기 때문이다. 이러한 anisotropy는 primary CMB anisotropy보다 훨씬 작은 규모이지만, 재이온화 구조의 topology·bubble 성장·ionization fraction의 시간 진화를 정량적으로 반영하는 중요한 2차 신호(second-order signal)다. patchy reionization이 남기는 CMB anisotropy는 kinetic Sunyaev–Zel’dovich(kSZ) 효과의 주요 구성 요소이며, 또한 large-scale polarization 구조에도 subtle한 흔적을 남긴다. 이러한 신호를 분석하면 reionization의 duration, bubble size distribution, source clustering 정도, ionization history의 redshift evolution을 추정할 수 있다. 이번 글에서는 patchy reionization이 만들어내는 anisotropy의 물리적 기원, kSZ 신호 형성 과정, polarization imprint, 그리고 cosmological inference에서의 의미를 전문적으로 정리한다.

Patchy reionization이 anisotropy를 생성하는 물리적 원리

CMB photon은 reionization 이후 자유전자를 만나 Thomson scattering을 경험할 수 있다. 문제는 이 자유전자가 공간적으로 균일하게 분포하지 않는다는 점이다. reionization은 bubble 형태의 patchy 구조로 진행되므로, 특정 방향에서는 photon이 여러 차례 scattering을 겪지만 다른 영역에서는 거의 scattering을 겪지 않는다. 이러한 공간적 electron density fluctuation이 CMB temperature anisotropy와 polarization anisotropy의 secondary component를 형성한다. 특히 electron density의 spatial modulation은 photon이 통과하는 optical depth τ의 변화를 유도하고, 이 optical depth fluctuation이 patchy reionization의 핵심 신호다. 이때 anisotropy는 ionized bubble의 크기·연결성·growth rate에 따라 크게 달라지며, bubble이 클수록 anisotropy의 coherence scale이 증가한다. 이는 21cm tomography로 측정되는 ionization topology와 정량적으로 연결된다.

Patchy kinetic Sunyaev–Zel’dovich 효과의 형성과정

kinetic Sunyaev–Zel’dovich(kSZ) 효과는 움직이는 전자에 의해 CMB photon이 Doppler shift를 겪는 현상으로, patchy reionization 동안 electron bulk velocity와 ionization fraction fluctuation이 결합해 고유한 신호를 생성한다. homogeneous reionization에서도 kSZ 신호는 존재하지만, patchy reionization kSZ는 이보다 훨씬 크며 특유의 scale dependence를 가진다. kSZ temperature fluctuation은 전자 밀도와 line-of-sight velocity field의 곱으로 표현되므로, bubble boundary가 많은 영역에서는 velocity gradient가 non-zero 상태로 작용해 strong anisotropy가 발생한다. 이는 reionization이 late·extended 방식으로 진행될수록 더 강한 amplitude를 가지며, source clustering이 큰 경우 anisotropy의 작은 스케일까지 강화된다.

Patchy reionization의 polarization imprint

Thomson scattering은 temperature anisotropy뿐 아니라 polarization을 생성하는데, patchy reionization은 작은 규모의 E-mode fluctuation과 B-mode conversion에 subtle한 신호를 남긴다. 이러한 polarization footprint는 amplitude는 작지만 reionization의 temporal evolution과 spatial patchiness를 반영한다. 특히 large-scale E-mode polarization은 reionization optical depth τ의 적분값에 민감하고, small-scale E-mode는 τ fluctuation에 민감하다. patchy reionization은 τ의 공간적 modulation을 유도하기 때문에 E-mode power spectrum의 특정 multipole에서 excess power를 만들 수 있다. 향후 아주 정밀한 polarization 탐사는 patchiness amplitude를 직접적으로 제한할 수 있을 것으로 기대된다.

Reionization history와 source model 제약에서의 역할

patchy reionization kSZ signal은 reionization duration Δz를 제약하는 가장 강력한 도구 중 하나다. Δz가 길수록 bubble이 오래 유지되고 ionization topology가 더 복잡해지므로 anisotropy amplitude가 증가한다. 반대로 rapid reionization scenario는 bubble overlap이 빠르게 진행되기 때문에 kSZ power가 더 작다. 이는 reionization source efficiency와 escape fraction 모델을 테스트하는 데 직결된다. 또한 patchy reionization anisotropy는 21cm tomography와 cross-correlation할 경우 더욱 강력한 제약력을 가진다. 21cm map은 neutral region의 topology를, CMB kSZ map은 ionized region의 velocity-weighted structure를 반영하므로, 두 신호의 통합 분석은 reionization의 구조·속도·시간 축 정보를 동시에 복구하는 unique한 기회를 제공한다. 이러한 joint inference는 reionization 과정의 full 3D history reconstruction으로 이어질 잠재력을 가진다.

Patchy reionization의 CMB anisotropy는 early universe를 읽는 또 하나의 창이다

patchy reionization은 CMB에 미세하지만 결정적인 anisotropy를 남기며, 이는 ionized bubble growth와 source clustering, reionization duration을 정량적으로 반영하는 신호다. temperature fluctuation에서는 kSZ 효과로, polarization에서는 τ fluctuation imprint로 드러나며, 모두 reionization physics를 깊게 이해하는 데 중요한 관측 창을 제공한다. 향후 CMB Stage-4, Simons Observatory, LiteBIRD 같은 차세대 관측은 patchy reionization anisotropy를 고정밀로 측정할 것이며, 21cm tomography와의 결합 분석은 reionization의 전체 topology를 정밀하게 복원하는 데 중요한 전환점을 마련할 것이다. 이는 early universe astrophysics와 구조 형성 이론 연구에 본질적인 진전을 가져올 것이다.

이 글은 patchy reionization이 CMB에 남기는 anisotropy 신호의 물리적 기반과 우주론적 응용을 설명한 것이며, 실제 kSZ estimator 및 polarization likelihood 구현은 전문 연구에서 상세히 다뤄진다.