来自 21cm-EDGES 数据对无金属恒星形成率密度的提示

我们旨在提供首个由数据约束的、在高红移（$z \gtrsim 16$）处所需的无金属（第三星族；Pop III）恒星形成率密度 $\dot{\rho}_{*}^{III}$ 的估计，以重现 EDGES 21-cm 全局信号的振幅与红移。我们的模型考虑了来自 Pop III 与富金属第二星族（Pop II）恒星的莱曼阿尔法（Ly$\alpha$）、射电与 X 射线背景。对于后者，我们使用 {\it Delphi} 半解析模型的恒星形成率密度估计（及 Ly$\alpha$ 背景），该模型已被证明能重现 $z \gtrsim 5$ 处星系的所有关键观测量；射电与 X 射线背景使用低 $z$ 值固定。刻画 Pop III 恒星属性的自由参数上的约束通过马尔可夫链蒙特卡洛分析获得。我们的结果给出的 $\dot{\rho}_{*}^{III}$ 在 $z \sim 21-16$ 之间增长，此后出现急剧下降，这与 \citet{valiante2016} 模拟 $z \sim 6 - 7$ 类星体及其宿主星系生长所得结果极为一致，表明大部分 Pop III 恒星形成发生于 $z \lesssim 20$ 处最稀有且质量最大的贫金属晕中。这使得 Pop III 恒星能在 $z \sim 21-15$ 间产生快速增长的 Ly$\alpha$ 背景。此外，Pop III 恒星需提供比 Pop II 恒星高约 $3-4$ 个数量级的射电背景，尽管 X 射线背景由 Pop II 恒星主导。