第一代恒星、星系和类星体独特的 21 cm 结构
宇宙学与河外天体物理
2015-06-16 v3
摘要
利用即将投入使用的射电望远镜对红移 21 cm 谱线进行观测，有望彻底改变我们对宇宙再电离的理解。为了揭示潜在的物理过程，我们利用包含中性氢电离和 Lyα光子共振散射的辐射转移模拟，研究了三种不同电离源（第三星族星、第一代星系和第一代类星体）的 21 cm 结构。我们发现，由于其具有丰富电离光子的硬谱能量分布，第三族星和类星体产生了从电离高温态到中性低温态的平滑过渡，这与星系中的急剧过渡形成对比。此外，Lyα散射在产生 21 cm 信号中起主导作用，因为它决定了氢自旋温度与气体动能温度之间的关系。这种效应也称为 Wouthuysen-Field 耦合，强烈依赖于电离源的类型。在星系周围该效应最强，自旋温度与气体温度高度耦合，导致 21 cm 亮温中出现延伸的吸收谷。另一方面，对于第三族星，21 cm 信号在小型 HII 气泡周围同时显示发射区和吸收区。对于类星体，21 cm 信号产生了一个大的发射区，而由于光子传播时间有限，随着 HII 气泡尺寸变大，吸收区减小。我们预测，来自 MWA、LOFAR 和 SKA 等大型射电阵列的未来巡天可能能够探测到原始星系和类星体的 21 cm 信号，但由于其角直径较小，不太可能探测到第三族星。
引用
@article{arxiv.1308.0381,
title = {Distinctive 21 cm structures of the first stars, galaxies, and quasars},
author = {Hidenobu Yajima and Yuexing Li},
journal= {arXiv preprint arXiv:1308.0381},
year = {2015}
}
备注
12 pages, 11 figures, accepted for publication in MNRAS