黑暗时代 21 cm 强度涨落的新视角

第一代恒星形成之前的 21 cm 亮温度涨落有望成为未来高精度的宇宙学探针。在该时期，过密度的增长由微扰理论很好地描述，原则上对于给定的宇宙学参数，信号可以预测到任意精度。最近，Tseliakhovich 和 Hirata 指出了一种先前被忽视的重要物理效应，即复合后重子与冷暗物质 (CDM) 之间存在超声速相对速度。这种相对速度抑制了尺度 $k \sim 10-10^3$ Mpc$^{-1}$ 上的物质涨落增长。此外，小尺度功率谱的振幅在大尺度上受到调制，这些大尺度对应于相对速度变化的范围，即 $k \sim 0.005-1$ Mpc$^{-1}$。本文计算了相对速度对红移 $z \geq 30$ 处 21 cm 亮温度涨落的影响。我们表明，21 cm 功率谱在${\it 大多数}$尺度上受到影响。在小尺度上，信号通常被抑制百分之几十，除非在极小尺度 ($k \gtrsim 2000$ Mpc$^{-1}$)，此时声波共振激发会增强涨落。在大尺度上，由于亮温度对底层气体密度和温度的非线性依赖，21 cm 涨落得到增强。对于标准 $\Lambda$CDM 宇宙学，21 cm 功率谱的增强在 $k \sim 0.1$ Mpc$^{-1}$ 处约为百分之几，而在 $k \lesssim 0.005$ Mpc$^{-1}$ 处高达百分之几十。原则上，这一效应不仅允许通过测量小角尺度，还允许通过其对大角尺度的影响来探测小尺度物质功率谱。