Impact of the primordial fluctuation power spectrum on the reionization history

被引：4

作者：

Minoda, Teppei ^{[1
]}

Yoshiura, Shintaro ^{[2
]}

Takahashi, Tomo ^{[3
]}

机构：

[1] Tsinghua Univ, Dept Astron, Beijing 100084, Peoples R China

[2] Natl Astron Observ Japan, Mizusawa VLBI Observ, 2-21-1 Osawa, Mitaka, Tokyo 1818588, Japan

[3] Saga Univ, Dept Phys, Saga 8408502, Japan

来源：

PHYSICAL REVIEW D | 2023年 / 108卷 / 12期

关键词：

CONSTRAINTS; EPOCH; ASTROPHYSICS; LUMINOSITY; QSO;

D O I：

10.1103/PhysRevD.108.123542

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

We argue that observations of the reionization history can be used as a probe of primordial density fluctuations, particularly on small scales. Although the primordial curvature perturbations are well constrained from measurements of cosmic microwave background (CMB) anisotropies and large-scale structure, these observational data probe the curvature perturbations only on large scales, and hence, its information on smaller scales will give us further insight on primordial fluctuations. Since the formation of early galaxies is sensitive to the amplitude of small-scale perturbations, and then, in turn, gives an impact on the reionization history, one can probe the primordial power spectrum on small scales through observations of reionization. In this work, we focus on the running spectral indices of the primordial power spectrum to characterize the small-scale perturbations and investigate their impact on the reionization history using the numerical code 21cmFAST, which adopts a simple but commonly used reionization model. We also derive the constraints on the running spectral indices from observations of the reionization history indicated by the luminosity function of the Lyman-alpha emitters. We show that the reionization history, in combination with large-scale observations such as CMB, would be a useful tool to investigate primordial density fluctuations.

引用

页数：10

共 67 条

[1] Dark Energy Survey Year 3 results: Cosmological constraints from galaxy clustering and weak lensing [J].

Abbott, T. M. C. ;

Aguena, M. ;

Alarcon, A. ;

Allam, S. ;

Alves, O. ;

Amon, A. ;

Andrade-Oliveira, F. ;

Annis, J. ;

Avila, S. ;

Bacon, D. ;

Baxter, E. ;

Bechtol, K. ;

Becker, M. R. ;

Bernstein, G. M. ;

Bhargava, S. ;

Birrer, S. ;

Blazek, J. ;

Brandao-Souza, A. ;

Bridle, S. L. ;

Brooks, D. ;

Buckley-Geer, E. ;

Burke, D. L. ;

Camacho, H. ;

Campos, A. ;

Carnero Rosell, A. ;

Carrasco Kind, M. ;

Carretero, J. ;

Castander, F. J. ;

Cawthon, R. ;

Chang, C. ;

Chen, A. ;

Chen, R. ;

Choi, A. ;

Conselice, C. ;

Cordero, J. ;

Costanzi, M. ;

Crocce, M. ;

da Costa, L. N. ;

Pereira, M. E. da Silva ;

Davis, C. ;

Davis, T. M. ;

De Vicente, J. ;

DeRose, J. ;

Desai, S. ;

Di Valentino, E. ;

Diehl, H. T. ;

Dietrich, J. P. ;

Dodelson, S. ;

Doel, P. ;

Doux, C. .

PHYSICAL REVIEW D, 2022, 105 (02)

[2] HERA Phase I Limits on the Cosmic 21 cm Signal: Constraints on Astrophysics and Cosmology during the Epoch of Reionization [J].

Abdurashidova, Zara ;

Aguirre, James E. ;

Alexander, Paul ;

Ali, Zaki S. ;

Balfour, Yanga ;

Barkana, Rennan ;

Beardsley, Adam P. ;

Bernardi, Gianni ;

Billings, Tashalee S. ;

Bowman, Judd D. ;

Bradley, Richard F. ;

Bull, Philip ;

Burba, Jacob ;

Carey, Steve ;

Carilli, Chris L. ;

Cheng, Carina ;

DeBoer, David R. ;

Dexter, Matt ;

Acedo, Eloy de Lera ;

Dillon, Joshua S. ;

Ely, John ;

Ewall-Wice, Aaron ;

Fagnoni, Nicolas ;

Fialkov, Anastasia ;

Fritz, Randall ;

Furlanetto, Steven R. ;

Gale-Sides, Kingsley ;

Glendenning, Brian ;

Gorthi, Deepthi ;

Greig, Bradley ;

Grobbelaar, Jasper ;

Halday, Ziyaad ;

Hazelton, Bryna J. ;

Heimersheim, Stefan ;

Hewitt, Jacqueline N. ;

Hickish, Jack ;

Jacobs, Daniel C. ;

Julius, Austin ;

Kern, Nicholas S. ;

Kerrigan, Joshua ;

Kittiwisit, Piyanat ;

Kohn, Saul A. ;

Kolopanis, Matthew ;

Lanman, Adam ;

La Plante, Paul ;

Lekalake, Telalo ;

Lewis, David ;

Liu, Adrian ;

Yin-Zhe Ma ;

MacMahon, David .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2022, 924 (02)

[3] The Seventeenth Data Release of the Sloan Digital Sky Surveys: Complete Release of MaNGA, MaStar, and APOGEE-2 Data [J].

Abdurro'uf ;

Accetta, Katherine ;

Aerts, Conny ;

Aguirre, Victor Silva ;

Ahumada, Romina ;

Ajgaonkar, Nikhil ;

Ak, N. Filiz ;

Alam, Shadab ;

Prieto, Carlos Allende ;

Almeida, Andres ;

Anders, Friedrich ;

Anderson, Scott F. ;

Andrews, Brett H. ;

Anguiano, Borja ;

Aquino-Ortiz, Erik ;

Aragon-Salamanca, Alfonso ;

Argudo-Fernandez, Maria ;

Ata, Metin ;

Aubert, Marie ;

Avila-Reese, Vladimir ;

Badenes, Carles ;

Barba, Rodolfo H. ;

Barger, Kat ;

Barrera-Ballesteros, Jorge K. ;

Beaton, Rachael L. ;

Beers, Timothy C. ;

Belfiore, Francesco ;

Bender, Chad F. ;

Bernardi, Mariangela ;

Bershady, Matthew A. ;

Beutler, Florian ;

Bidin, Christian Moni ;

Bird, Jonathan C. ;

Bizyaev, Dmitry ;

Blanc, Guillermo A. ;

Blanton, Michael R. ;

Boardman, Nicholas Fraser ;

Bolton, Adam S. ;

Boquien, Mederic ;

Borissova, Jura ;

Bovy, Jo ;

Brandt, W. N. ;

Brown, Jordan ;

Brownstein, Joel R. ;

Brusa, Marcella ;

Buchner, Johannes ;

Bundy, Kevin ;

Burchett, Joseph N. ;

Bureau, Martin ;

Burgasser, Adam .

ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2022, 259 (02)

[4] Planck intermediate results XLVII. Planck constraints on reionization history [J].

Adam, R. ;

Aghanim, N. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Ballardini, M. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

Bartolo, N. ;

Basak, S. ;

Battye, R. ;

Benabed, K. ;

Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

Bielewicz, P. ;

Bock, J. J. ;

Bonaldi, A. ;

Bonavera, L. ;

Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Boulanger, F. ;

Bucher, M. ;

Burigana, C. ;

Calabrese, E. ;

Cardoso, J. -F. ;

Carron, J. ;

Chiang, H. C. ;

Colombo, L. P. L. ;

Combet, C. ;

Comis, B. ;

Couchot, F. ;

Coulais, A. ;

Crill, B. P. ;

Curto, A. ;

Cuttaia, F. ;

Davis, R. J. ;

de Bernardis, P. ;

de Rosa, A. ;

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Delabrouille, J. ;

Di Valentino, E. ;

Dickinson, C. ;

Diego, J. M. ;

Dore, O. ;

Douspis, M. ;

Ducout, A. ;

Dupac, X. ;

Elsner, F. ;

Ensslin, T. A. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2016, 596

[5] Discovery and properties of ultra-high redshift galaxies (9 < z < 12) in the JWST ERO SMACS 0723 Field [J].

Adams, N. J. ;

Conselice, C. J. ;

Ferreira, L. ;

Austin, D. ;

Trussler, J. A. A. ;

Juodzbalis, I ;

Wilkins, S. M. ;

Caruana, J. ;

Dayal, P. ;

Verma, A. ;

Vijayan, A. P. .

MONTHLY NOTICES OF THE ROYAL ASTRONOMICAL SOCIETY, 2023, 518 (03) :4755-4766

[6] Planck 2015 results XIII. Cosmological parameters [J].

Ade, P. A. R. ;

Aghanim, N. ;

Arnaud, M. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

Bartlett, J. G. ;

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Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

Bielewicz, P. ;

Bock, J. J. ;

Bonaldi, A. ;

Bonavera, L. ;

Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Boulanger, F. ;

Bucher, M. ;

Burigana, C. ;

Butler, R. C. ;

Calabrese, E. ;

Cardoso, J. -F. ;

Catalano, A. ;

Challinor, A. ;

Chamballu, A. ;

Chary, R. -R. ;

Chiang, H. C. ;

Chluba, J. ;

Christensen, P. R. ;

Church, S. ;

Clements, D. L. ;

Colombi, S. ;

Colombo, L. P. L. ;

Combet, C. ;

Coulais, A. ;

Crill, B. P. ;

Curto, A. ;

Cuttaia, F. ;

Danese, L. ;

Davies, R. D. ;

Davis, R. J. ;

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ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2016, 594

[7] Planck 2018 results: VI. Cosmological parameters [J].

Aghanim, N. ;

Akrami, Y. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Ballardini, M. ;

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Basak, S. ;

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Bersanelli, M. ;

Bielewicz, P. ;

Bock, J. J. ;

Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Boulanger, F. ;

Bucher, M. ;

Burigana, C. ;

Butler, R. C. ;

Calabrese, E. ;

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Carron, J. ;

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Chiang, H. C. ;

Chluba, J. ;

Colombo, L. P. L. ;

Combet, C. ;

Contreras, D. ;

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Cuttaia, F. ;

de Bernardis, P. ;

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Ducout, A. ;

Dupac, X. ;

Dusini, S. ;

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Elsner, F. ;

Ensslin, T. A. ;

Eriksen, H. K. ;

Fantaye, Y. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2020, 641

[8] Planck 2018 results: X. Constraints on inflation [J].

Akrami, Y. ;

Arroja, F. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

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Ballardini, M. ;

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Colombo, L. P. L. ;

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Contreras, D. ;

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Delabrouille, J. ;

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Ensslin, T. A. ;

Eriksen, H. K. ;

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Fergusson, J. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2020, 641

[9] Completed SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Cosmological implications from two decades of spectroscopic surveys at the Apache Point Observatory [J].

Alam, Shadab ;

Aubert, Marie ;

Avila, Santiago ;

Balland, Christophe ;

Bautista, Julian E. ;

Bershady, Matthew A. ;

Bizyaev, Dmitry ;

Blanton, Michael R. ;

Bolton, Adam S. ;

Bovy, Jo ;

Brinkmann, Jonathan ;

Brownstein, Joel R. ;

Burtin, Etienne ;

Chabanier, Solene ;

Chapman, Michael J. ;

Choi, Peter Doohyun ;

Chuang, Chia-Hsun ;

Comparat, Johan ;

Cousinou, Marie-Claude ;

Cuceu, Andrei ;

Dawson, Kyle S. ;

de la Torre, Sylvain ;

de Mattia, Arnaud ;

Agathe, Victoria de Sainte ;

des Bourboux, Helion du Mas ;

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Farr, James ;

Font-Ribera, Andreu ;

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Kong, Hui ;

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Klaene, Mark ;

Kneib, Jean-Paul ;

Lin, Sicheng ;

Long, Daniel ;

Lyke, Brad W. ;

de la Macorra, Axel ;

Martini, Paul ;

Masters, Karen ;

Mohammad, Faizan G. .

PHYSICAL REVIEW D, 2021, 103 (08)

[10] Constraining the primordial curvature perturbation using dark matter substructure [J].

Ando, Shin'ichiro ;

Hiroshima, Nagisa ;

Ishiwata, Koji .

PHYSICAL REVIEW D, 2022, 106 (10)

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共 67 条

[1] Dark Energy Survey Year 3 results: Cosmological constraints from galaxy clustering and weak lensing [J].

Abbott, T. M. C. ;

Aguena, M. ;

Alarcon, A. ;

Allam, S. ;

Alves, O. ;

Amon, A. ;

Andrade-Oliveira, F. ;

Annis, J. ;

Avila, S. ;

Bacon, D. ;

Baxter, E. ;

Bechtol, K. ;

Becker, M. R. ;

Bernstein, G. M. ;

Bhargava, S. ;

Birrer, S. ;

Blazek, J. ;

Brandao-Souza, A. ;

Bridle, S. L. ;

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Buckley-Geer, E. ;

Burke, D. L. ;

Camacho, H. ;

Campos, A. ;

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Carrasco Kind, M. ;

Carretero, J. ;

Castander, F. J. ;

Cawthon, R. ;

Chang, C. ;

Chen, A. ;

Chen, R. ;

Choi, A. ;

Conselice, C. ;

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Costanzi, M. ;

Crocce, M. ;

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De Vicente, J. ;

DeRose, J. ;

Desai, S. ;

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Diehl, H. T. ;

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Dodelson, S. ;

Doel, P. ;

Doux, C. .

PHYSICAL REVIEW D, 2022, 105 (02)

[2] HERA Phase I Limits on the Cosmic 21 cm Signal: Constraints on Astrophysics and Cosmology during the Epoch of Reionization [J].

Abdurashidova, Zara ;

Aguirre, James E. ;

Alexander, Paul ;

Ali, Zaki S. ;

Balfour, Yanga ;

Barkana, Rennan ;

Beardsley, Adam P. ;

Bernardi, Gianni ;

Billings, Tashalee S. ;

Bowman, Judd D. ;

Bradley, Richard F. ;

Bull, Philip ;

Burba, Jacob ;

Carey, Steve ;

Carilli, Chris L. ;

Cheng, Carina ;

DeBoer, David R. ;

Dexter, Matt ;

Acedo, Eloy de Lera ;

Dillon, Joshua S. ;

Ely, John ;

Ewall-Wice, Aaron ;

Fagnoni, Nicolas ;

Fialkov, Anastasia ;

Fritz, Randall ;

Furlanetto, Steven R. ;

Gale-Sides, Kingsley ;

Glendenning, Brian ;

Gorthi, Deepthi ;

Greig, Bradley ;

Grobbelaar, Jasper ;

Halday, Ziyaad ;

Hazelton, Bryna J. ;

Heimersheim, Stefan ;

Hewitt, Jacqueline N. ;

Hickish, Jack ;

Jacobs, Daniel C. ;

Julius, Austin ;

Kern, Nicholas S. ;

Kerrigan, Joshua ;

Kittiwisit, Piyanat ;

Kohn, Saul A. ;

Kolopanis, Matthew ;

Lanman, Adam ;

La Plante, Paul ;

Lekalake, Telalo ;

Lewis, David ;

Liu, Adrian ;

Yin-Zhe Ma ;

MacMahon, David .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2022, 924 (02)

[3] The Seventeenth Data Release of the Sloan Digital Sky Surveys: Complete Release of MaNGA, MaStar, and APOGEE-2 Data [J].

Abdurro'uf ;

Accetta, Katherine ;

Aerts, Conny ;

Aguirre, Victor Silva ;

Ahumada, Romina ;

Ajgaonkar, Nikhil ;

Ak, N. Filiz ;

Alam, Shadab ;

Prieto, Carlos Allende ;

Almeida, Andres ;

Anders, Friedrich ;

Anderson, Scott F. ;

Andrews, Brett H. ;

Anguiano, Borja ;

Aquino-Ortiz, Erik ;

Aragon-Salamanca, Alfonso ;

Argudo-Fernandez, Maria ;

Ata, Metin ;

Aubert, Marie ;

Avila-Reese, Vladimir ;

Badenes, Carles ;

Barba, Rodolfo H. ;

Barger, Kat ;

Barrera-Ballesteros, Jorge K. ;

Beaton, Rachael L. ;

Beers, Timothy C. ;

Belfiore, Francesco ;

Bender, Chad F. ;

Bernardi, Mariangela ;

Bershady, Matthew A. ;

Beutler, Florian ;

Bidin, Christian Moni ;

Bird, Jonathan C. ;

Bizyaev, Dmitry ;

Blanc, Guillermo A. ;

Blanton, Michael R. ;

Boardman, Nicholas Fraser ;

Bolton, Adam S. ;

Boquien, Mederic ;

Borissova, Jura ;

Bovy, Jo ;

Brandt, W. N. ;

Brown, Jordan ;

Brownstein, Joel R. ;

Brusa, Marcella ;

Buchner, Johannes ;

Bundy, Kevin ;

Burchett, Joseph N. ;

Bureau, Martin ;

Burgasser, Adam .

ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2022, 259 (02)

[4] Planck intermediate results XLVII. Planck constraints on reionization history [J].

Adam, R. ;

Aghanim, N. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Ballardini, M. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

Bartolo, N. ;

Basak, S. ;

Battye, R. ;

Benabed, K. ;

Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

Bielewicz, P. ;

Bock, J. J. ;

Bonaldi, A. ;

Bonavera, L. ;

Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Boulanger, F. ;

Bucher, M. ;

Burigana, C. ;

Calabrese, E. ;

Cardoso, J. -F. ;

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Colombo, L. P. L. ;

Combet, C. ;

Comis, B. ;

Couchot, F. ;

Coulais, A. ;

Crill, B. P. ;

Curto, A. ;

Cuttaia, F. ;

Davis, R. J. ;

de Bernardis, P. ;

de Rosa, A. ;

de Zotti, G. ;

Delabrouille, J. ;

Di Valentino, E. ;

Dickinson, C. ;

Diego, J. M. ;

Dore, O. ;

Douspis, M. ;

Ducout, A. ;

Dupac, X. ;

Elsner, F. ;

Ensslin, T. A. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2016, 596

[5] Discovery and properties of ultra-high redshift galaxies (9 < z < 12) in the JWST ERO SMACS 0723 Field [J].

Adams, N. J. ;

Conselice, C. J. ;

Ferreira, L. ;

Austin, D. ;

Trussler, J. A. A. ;

Juodzbalis, I ;

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Caruana, J. ;

Dayal, P. ;

Verma, A. ;

Vijayan, A. P. .

MONTHLY NOTICES OF THE ROYAL ASTRONOMICAL SOCIETY, 2023, 518 (03) :4755-4766

[6] Planck 2015 results XIII. Cosmological parameters [J].

Ade, P. A. R. ;

Aghanim, N. ;

Arnaud, M. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

Bartlett, J. G. ;

Bartolo, N. ;

Battaner, E. ;

Battye, R. ;

Benabed, K. ;

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Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

Bielewicz, P. ;

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Boulanger, F. ;

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Burigana, C. ;

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Catalano, A. ;

Challinor, A. ;

Chamballu, A. ;

Chary, R. -R. ;

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Chluba, J. ;

Christensen, P. R. ;

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Clements, D. L. ;

Colombi, S. ;

Colombo, L. P. L. ;

Combet, C. ;

Coulais, A. ;

Crill, B. P. ;

Curto, A. ;

Cuttaia, F. ;

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Davies, R. D. ;

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de Bernardis, P. .

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[7] Planck 2018 results: VI. Cosmological parameters [J].

Aghanim, N. ;

Akrami, Y. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

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ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2020, 641

[8] Planck 2018 results: X. Constraints on inflation [J].

Akrami, Y. ;

Arroja, F. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Ballardini, M. ;

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Dore, O. ;

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Dusini, S. ;

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Ensslin, T. A. ;

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Fantaye, Y. ;

Fergusson, J. .

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[9] Completed SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Cosmological implications from two decades of spectroscopic surveys at the Apache Point Observatory [J].

Alam, Shadab ;

Aubert, Marie ;

Avila, Santiago ;

Balland, Christophe ;

Bautista, Julian E. ;

Bershady, Matthew A. ;

Bizyaev, Dmitry ;

Blanton, Michael R. ;

Bolton, Adam S. ;

Bovy, Jo ;

Brinkmann, Jonathan ;

Brownstein, Joel R. ;

Burtin, Etienne ;

Chabanier, Solene ;

Chapman, Michael J. ;

Choi, Peter Doohyun ;

Chuang, Chia-Hsun ;

Comparat, Johan ;

Cousinou, Marie-Claude ;

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de la Torre, Sylvain ;

de Mattia, Arnaud ;

Agathe, Victoria de Sainte ;

des Bourboux, Helion du Mas ;

Escoffier, Stephanie ;

Etourneau, Thomas ;

Farr, James ;

Font-Ribera, Andreu ;

Frinchaboy, Peter M. ;

Fromenteau, Sebastien ;

Gil-Marin, Hector ;

Le Goff, Jean-Marc ;

Gonzalez-Morales, Alma X. ;

Gonzalez-Perez, Violeta ;

Grabowski, Kathleen ;

Guy, Julien ;

Hawken, Adam J. ;

Hou, Jiamin ;

Kong, Hui ;

Parker, James, III ;

Klaene, Mark ;

Kneib, Jean-Paul ;

Lin, Sicheng ;

Long, Daniel ;

Lyke, Brad W. ;

de la Macorra, Axel ;

Martini, Paul ;

Masters, Karen ;

Mohammad, Faizan G. .

PHYSICAL REVIEW D, 2021, 103 (08)

[10] Constraining the primordial curvature perturbation using dark matter substructure [J].

Ando, Shin'ichiro ;

Hiroshima, Nagisa ;

Ishiwata, Koji .

PHYSICAL REVIEW D, 2022, 106 (10)

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