21 cm 信号能否探测第三星族和第二星族的恒星形成？
宇宙学与河外天体物理
2015-06-19 v2 星系天体物理
摘要
利用红移 z>6 处第三星族 (Pop III) 和第二星族 (Pop II) 恒星形成率 (SFR) 的不同模型，我们推导了来自星系际介质 (IGM) 的全局 21 cm 信号的预期红移演化历史。为了恢复观测到的宇宙微波背景 (CMB) 的 Thomson 散射光学深度，需要 Pop III 恒星在 z ~ 15 处的 SFR 水平约为 10^-3 Msun/yr/Mpc^3，或者 Pop II 恒星在 z ~ 7 处的 SFR 水平约为 10^-1 Msun/yr/Mpc^3。如果 SFR 由 Pop III 恒星主导，由于超新星加热，IGM 会在 z > 12 时迅速加热至高于 CMB 温度。此外，宿主 Pop III 恒星的光晕发出的 Lyman-alpha 光子将自旋温度与气体温度耦合，导致深刻的吸收信号。如果 SFR 由 Pop II 恒星主导，IGM 会缓慢加热，并在 z ~ 10 时超过 CMB 温度。然而，较大且变化的 Pop III 恒星比例能够打破这种简并性。我们发现，Pop III 恒星的初始质量函数 (IMF) 对 21 cm 信号的影响表现为：如果 IMF 斜率约为 -1.2，信号会更早转变为正值。利用下一代射电望远镜（如平方千米阵列 Square Kilometre Array）在 z > 10 处测量 21 cm 信号，将能够研究 Pop III 和 Pop II 恒星对全局恒星形成率的贡献。
引用
@article{arxiv.1405.7385,
title = {Can the 21 cm signal probe Population III and II star formation?},
author = {Hidenobu Yajima and Sadegh Khochfar},
journal= {arXiv preprint arXiv:1405.7385},
year = {2015}
}
备注
13 pages, 9 figures, accepted for publication in MNRAS