宇宙黎明与再电离时期全球21厘米信号的仿真模拟

中性氢的21厘米信号是再电离时期（EoR）与宇宙黎明的灵敏探针。当前运行的射电望远镜已开创了21厘米宇宙学的数据驱动时代，提供了对该信号源天体物理性质的首次约束。然而，从数据中提取天体物理信息高度非平凡，需要在广泛的天体物理参数范围内快速生成理论模板。为此常采用仿真器，先前的努力集中于预测功率谱。本工作中我们引入21cmGEM——首个宇宙黎明与EoR全球21厘米信号的仿真器。输出信号的平滑性在设计中得到保证。我们训练神经网络，利用约30,000个模拟信号组成的数据库来预测宇宙学信号，这些信号通过变化七个天体物理参数生成：恒星形成效率与成星晕的最小质量；首批X射线源的效率及其由谱指数和低能截断参数化的能谱；电离光子的平均自由程与CMB光学厚度。我们用约2,000个模拟信号测试性能，显示预测的相对误差均方根为0.0159。该算法高效，每组参数运行时间为0.16秒。最后，我们利用模型数据库检验我们先前报道的全球信号特征与天体物理参数之间关系的稳健性。