非均匀再电离的线性扰动理论

我们发展了一种解析方法，通过求解电离平衡和辐射转移方程到一阶扰动，来研究大尺度上的非均匀再电离。给定电离源的空间分布和能谱，我们的形式主义可用于预测HII、HI和辐射丰度涨落的大尺度功率谱。我们的方法避免了现有解析方法中常见的近似/假设——例如，我们一开始不假设特定的电离拓扑结构；也不对HII分布做阶跃函数气泡状近似。将我们的形式主义应用于根据Press-Schechter方案偏置的源，我们发现：1. 再电离总是“由内而外”进行，至少在较大尺度上，致密区域电离程度更高；2. 在足够大的尺度上，HII、HI和辐射相对于暗物质表现出尺度无关的偏置；3. 在尺度与电离光子平均自由程相当或更小时，偏置受到抑制；4. 如果电离源能谱足够软，在再电离过程的大部分时间里，HII偏置紧密追踪源偏置，但在逾渗后急剧下降；5. 如果电离源能谱足够硬，HII偏置在整个再电离过程中以更平稳的方式下降。这里开发的工具将有助于解释未来的21厘米、CMB和莱曼α森林观测，既可以了解再电离天体物理学（例如源能谱的硬度，从而了解电离源的性质），也可能提取有趣的宇宙学信息。