宇宙黎明时代 Lyman-$\alpha$ 热力演化的 21 cm 信号

Lyman-$\alpha$ 光子将中性氢（HI）的自旋温度与动力学温度耦合起来。在此过程中，它们还与介质交换能量，导致HI加热或冷却。此外，我们预期在这一时期X射线光子会为主要中性气体提供额外的加热。我们求解了该耦合系统（包括Lyman-$\alpha$-HI系统和X射线加热），涵盖500万年（红移范围 $8 < z < 25$）。我们的主要结果如下：(a)在无X射线加热的情况下，气体温度达到平衡状态，该平衡状态几乎独立于光子强度，且仅对宇宙膨胀有微弱依赖。准静态温度的主要决定因素是注入和连续Lyman-$\alpha$光子强度的比值。(b)尽管X射线光子在初始时段提供额外的加热，但当Lyman-$\alpha$光子强度足够大时，系统趋向于与无额外加热情形下相同的准静态温度。当靠近Lyman-$\alpha$共振线的光子密度远高于HI数密度时，可达此极限。(c)我们计算了这些情形下的全局HI信号。在Lyman-$\alpha$光子密度极大的情况下，超精细线的自旋温度被固定。这会冻结来自宇宙黎明时代的全局HI信号以及从吸收到发射的交叉红移。该特征仅取决于注入Lyman-$\alpha$光子强度与连续光子强度的比值，全局HI信号可帮助我们确定这一比值。