普朗克之后与 JWST 之前的宇宙再电离：一种解析方法

宇宙氢的再电离标志着宇宙结构形成史上的一个关键节点。本文中，我们对描述体积平均 HII 比例演化的标准再电离方程提出一种新表述，该表述与公认的非均匀星系际吸收概念模型更为一致。修订后的方程保留了经典计算的基本术语和简洁性，但明确考虑了已知在重叠后决定电离辐射平均自由程的光学厚“莱曼极限系统”的存在。对该方程进行积分，通过平滑连接再电离过程的重叠前与重叠后阶段，能更好地刻画再电离的时间。我们确认了准瞬时近似作为再电离完成/维持预测指标的有效性，并利用改进的形式讨论了关于宇宙再电离源的新见解。向星系际介质（IGM）以每原子每吉年 3 个莱曼连续谱（LyC）光子的恒定发射率，可导致与 z=5-9 宇宙电离状态的一系列观测约束以及与普朗克合作组最近报告的降低的汤姆逊散射光学深度相一致的再电离历史。如果逃逸到 IGM 中的 LyC 光子的光度加权比例 f_esc 超过 15%（对于星系紫外光度函数的暗端截断星等 M_lim=-13 以及每单位 1500 Å 光度的 LyC 光子产额 xi_ion=10^{25.3} Hz/erg），则恒星形成星系可以主导再电离过程；然而，两个未知量乘积 f_esc xi_ion 不随红移演化的简单模型无法重现在这些纪元观测到的 IGM 中性度的变化。