kSZ–21cm joint analysis를 통한 reionization velocity field 복원

reionization epoch에서의 velocity field는 중력에 의해 성장한 대규모 구조의 동역학을 직접적으로 반영하지만, 이 시기의 속도장은 기존의 galaxy redshift survey로는 관측이 불가능하다. 그러나 두 가지 서로 다른 관측 창인 kinetic Sunyaev–Zel’dovich(kSZ) 효과와 21cm tomography를 결합하면, ionized region 내부의 velocity field를 간접적으로 복원할 수 있는 가능성이 열린다. kSZ는 자유전자의 line-of-sight velocity를 가중한 CMB temperature fluctuation을 제공하고, 21cm 신호는 중성수소 분포를 통해 ionization topology를 3차원으로 기록한다. 이 두 신호는 reionization 동안 동일한 물리적 구조를 서로 다른 방식으로 관측하고 있기 때문에, joint analysis는 velocity field 복원에 매우 강력한 정보를 제공한다. 특히 patchy reionization 환경에서는 velocity field가 ionized bubble 내부에서만 kSZ 신호로 투영되며, 21cm map은 이 ionized region의 경계와 topology를 정확히 정의해 준다. 따라서 kSZ–21cm joint analysis는 velocity–ionization coupling을 분리해내고, reionization 시기의 large-scale velocity field를 통계적으로 재구성하는 핵심 전략으로 주목받고 있다. 이번 글에서는 kSZ와 21cm 신호의 상보적 특성, joint estimator의 기본 구조, velocity field reconstruction의 물리적 의미, 그리고 reionization physics 제약에서의 응용을 전문적으로 정리한다.

kSZ와 21cm 신호의 상보적 물리 정보

kSZ 효과는 자유전자의 peculiar velocity가 CMB photon에 남기는 Doppler shift로, 신호의 크기는 전자 밀도와 line-of-sight velocity의 곱에 비례한다. reionization epoch에서는 자유전자가 ionized region에만 존재하므로, kSZ 신호는 본질적으로 ionization topology로 필터링된 velocity field를 관측한다. 이로 인해 kSZ 단독 분석은 velocity와 ionization fraction 사이의 강한 degeneracy를 가진다. 반면 21cm tomography는 중성수소의 brightness temperature fluctuation을 통해 neutral region의 분포를 직접 관측한다. 이는 곧 ionized bubble의 위치와 형태를 역으로 규정하는 정보가 된다. 따라서 21cm map은 kSZ 신호에서 velocity field가 투영된 공간적 영역을 정의해 주며, 두 신호를 결합하면 velocity–ionization 분리를 수행할 수 있다. 이러한 상보성은 joint analysis의 이론적 핵심이다.

kSZ–21cm joint estimator와 velocity reconstruction 원리

kSZ–21cm joint analysis의 기본 목표는 ionization field를 조건으로 한 velocity field의 통계적 추정이다. 이를 위해 kSZ temperature fluctuation과 21cm brightness temperature map의 cross-correlation을 구성하거나, quadratic estimator 형태로 velocity mode를 재구성한다. 이때 21cm 신호는 ionized region mask 혹은 weight function으로 작용해 kSZ 신호의 공간적 선택 효과를 보정한다. 한 가지 접근법은 21cm map으로부터 ionization fraction field를 추정한 뒤, 이를 kSZ signal의 line-of-sight 적분에 삽입해 velocity-only estimator를 구성하는 방식이다. 이 과정에서 long-wavelength velocity mode는 large-scale coherence를 가지므로, noise가 큰 kSZ signal에서도 비교적 안정적으로 복원된다. 이러한 joint estimator는 reionization epoch의 bulk flow와 velocity divergence field를 통계적으로 복구할 수 있는 가능성을 제공한다.

Ionization topology와 velocity field 결합 구조의 역할

velocity field 복원의 정확도는 ionization topology에 크게 의존한다. reionization 초기에는 ionized bubble이 작고 고립되어 있어 velocity sampling이 국소적이지만, 중반부 이후 bubble이 서로 연결되면서 large-scale velocity coherence가 kSZ 신호에 효과적으로 투영된다. 특히 percolation transition 이후에는 ionized network가 velocity field의 주요 구조를 거의 연속적으로 샘플링하게 된다. 이러한 topology–velocity coupling은 kSZ–21cm joint analysis에서 핵심적인 정보원이다. Betti number, Minkowski functional 같은 topology 지표를 함께 활용하면, 어떤 시점에서 velocity reconstruction이 가장 효율적인지를 판단할 수 있다. 이는 reionization history의 특정 구간이 velocity field 복원에 최적이라는 점을 시사한다.

Reionization physics와 구조 성장률 제약

kSZ–21cm joint analysis를 통해 복원된 velocity field는 reionization physics를 넘어, 우주의 구조 성장률을 제약하는 데도 중요한 정보를 제공한다. velocity field는 density fluctuation의 시간 변화율과 직접적으로 연결되므로, reionization epoch의 velocity reconstruction은 high-redshift에서의 growth rate를 간접적으로 측정하는 새로운 방법이 된다. 또한 source clustering과 feedback model에 따라 ionization topology가 달라지면, 동일한 underlying velocity field라도 kSZ morphology는 다르게 나타난다. joint analysis는 이러한 효과를 분리해 source efficiency, escape fraction, reionization duration을 동시에 제약할 수 있다. 이는 21cm 단독 분석이나 kSZ 단독 분석으로는 달성하기 어려운 장점이다.

kSZ–21cm joint analysis는 reionization velocity field 복원의 핵심 전략이다

kSZ 신호는 velocity field를, 21cm tomography는 ionization topology를 각각 관측하며, 이 두 정보를 결합하면 reionization epoch의 velocity field를 통계적으로 복원할 수 있는 독보적인 분석 창이 열린다. joint analysis는 velocity–ionization degeneracy를 제거하고, patchy reionization의 비선형 동역학을 보다 직접적으로 해석할 수 있게 한다. 향후 SKA, HERA 같은 21cm 실험과 CMB Stage-4, Simons Observatory의 고해상도 kSZ 관측이 결합되면, reionization velocity field reconstruction은 이론적 가능성을 넘어 실제 관측 영역으로 진입할 것이다. 이는 early universe의 구조 성장과 baryon 동역학을 이해하는 데 결정적인 전환점을 제공할 것으로 기대된다.

이 글은 kSZ–21cm joint analysis를 통한 reionization velocity field 복원의 이론적 개념을 설명한 것이며, 실제 joint estimator 구현과 foreground 처리 문제는 전문 연구에서 더 상세히 논의된다.