再电离的临界恒星形成率：完全再电离发生在z=7
摘要
我们利用维持光致电离对抗复合所需的共动恒星形成率密度(rho_SFR)的预设，评估了星际介质完全再电离的可能红移(z_rei ~ 7)。我们新开发的在线再电离模拟器允许用户使用星系和恒星种群、星际介质团簇因子和温度、以及莱曼连续谱逃逸分数的各种假设，评估所需的恒星形成率和电离历史。z=6-8处高红移星系候选体和莱曼α发射体的减少表明中性分数上升，由于复合率增加以及电离背景和莱曼连续谱平均自由程的约束，z>7的再电离愈发困难。所需速率标度到团簇因子C_H=3、逃逸分数f_esc=0.2、电子温度T_e=10^4 K以及低金属丰度初始质量函数和恒星大气的基准值为rho_SFR = (0.018 M_sun/yr/Mpc^3) [(1+z)/8]^3 (C_H/3)(0.2/f_esc) T_4^(-0.845)。我们的流体动力学+N体模拟发现，在z=5-9的光致电离、光加热纤维中，平均团簇因子C_H = (2.9)[(1+z)/6]^-1.1。通过增加最小恒星质量、采用顶重初始质量函数或系统性地增加高z处的f_esc，可降低临界恒星形成率。宇宙微波背景光学深度tau_e = 0.088 +/- 0.015可通过完全再电离解释，产生回溯到z_rei = 7的tau_e = 0.050，再加上z>7处紫外/X射线部分电离星际介质中的Delta-tau_e = 0.01-0.04。在此情景下，最强的21厘米信号应出现在红移频率124-167 MHz处，这是由于z=7.5-10.5区间Delta z ~ 3内的星际介质加热所致。
引用
@article{arxiv.1108.3334,
title = {Critical Star-Formation Rates for Reionization: Full Reionization occurs at z = 7},
author = {Michael Shull and Anthony Harness and Michele Trenti and Britton Smith},
journal= {arXiv preprint arXiv:1108.3334},
year = {2011}
}
备注
30 pages, 8 figures, Accepted to ApJ. On-line SFR/reionization calculator at: http://casa.colorado.edu/~harnessa/SFRcalculator