高红移宇宙气体的 21 厘米波动

最近 WMAP 观测推断的较大的 Thomson 光学深度 tau_e 表明宇宙的电离方式比此前更为复杂。然而，tau_e 仅提供电离历史的积分约束，单凭无法用于确定负责此过渡的源头的性质。本文我们表明，利用中性氢 21 厘米辐射的波动可统计性地测量高红移下星际介质电离态的演化。类似于 CMB 各向异性的数学描述，我们发展了量化 21 cm 辐射随频率和角尺度变化的波动的形式。电离前后，21 cm 信号的波动由物质分布的密度扰动所主导。在这些时代之间，围绕光源的气体区域 become 被电离，产生大型 HII 区域。这些“气泡”将特征印刻在 21 cm 功谱中，从而使其可被区分为由密度扰动产生的波动。功谱随频率变化可用于推断此过程的演化。正如他人所强调的，中性气体在高红移的绝对 21 cm 信号因前景源的污染而不可探测。然而，我们认为，通过比较紧密相邻的频率（即红移）图，此类噪声可被抑制，以便在明显更亮且在频率上平滑（smooth）的背景下，能够测量星际介质的 21 cm 波动。