从宇宙黎明到再电离时期第三星族恒星形成的高效半解析建模

对首批恒星的探寻驱使天文学家跨越宇宙时间，从希望在宇宙黎明它们的鼎盛时期识别其特征，到在近邻区域深入搜寻其遗迹。此类工作至关重要的是依赖稳健的理论建模，以理解我们预期原始恒星形成在何时何地发生并存活。为此，我们在此引入一个用于宇宙黎明的解析浴缸模型，即 abcd 模型，以高效追踪首批恒星从诞生起至宇宙最初十亿年间的形成过程，并随时间共同追踪原始气体与金属富集气体中的恒星形成。基于我们对分子冷却晕中恒星形成、金属混合及早期星系理解的最新理论进展，我们将现有的星系形成最小模型扩展至包含第三星族恒星及影响其演化的诸多过程——包括内部与环境过程，同时保持快速与可解释性。借助这一框架，我们能够弥合数值模拟与先前半解析模型之间的差距，因为我们自洽地追踪了暗物质晕中从迷你晕时代到再电离时期的恒星形成，发现在合理的物理条件下，在存在 Pop II 恒星形成的情况下原始恒星形成仍能以高水平持续至 $z\sim 5$，但仅限于质量最大的晕中。我们强调了支撑 Pop III 恒星形成的物理基础中的理论不确定性区域，并展示了这种不确定性首先对单个恒星形成历史的影响，随后限定了我们预期的全局恒星形成水平的范围。最后，我们利用该模型做出初步的可观测预测，为高-$z$ 光度函数、暂现源率与 21-cm 全局信号生成预报。