从莱曼α森林功率谱提取再电离天体物理：一项初步预测

宇宙再电离对莱曼α (Ly$\alpha$) 森林功率谱的影响最近被证明即使在低红移 ($z \sim 2$) 也显著。再电离的这一记忆能跨越宇宙时间尺度而留存，是因为高熵平均密度气体被再电离（其是非均匀的）加热到 $\sim 3\times10^4$ K，并受到来自较密区域的后续激波加热。在不久的将来，莱曼α森林三维功率谱的首次测量很可能由暗能量光谱仪 (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI) 等即将开展的观测工作实现。除丰富的宇宙学信息外，这些观测有潜力从莱曼α森林提取再电离的天体物理。我们首次预测了莱曼α森林三维功率谱测量利用 DESI 约束再电离参数的精度。具体而言，我们证明对电离效率 $\zeta$ 和承载电离源的晕的阈值质量 $m_{\rm turn}$ 的约束将具有 $1\sigma$ 误差水平，分别为 $\zeta = 25.0 \pm 11.6$ 和 $\log_{10} (m_{\rm turn}/{\rm M}_\odot) = 8.7^{+0.36}_{-0.70}$。因此莱曼α森林三维功率谱将提供再电离的独立探测，利用 DESI 甚至可能更早探测到，其灵敏度仅略差于即将用氢再电离阵列 (Hydrogen Epoch of Reionization Array, HERA) 进行的 21 cm 功率谱测量，即对于 $\zeta$ 有 $\sigma_{\rm DESI} / \sigma_{\rm HERA} \approx 1.5$，对于 $\log_{10}(m_{\rm turn} /$M$_\odot)$ 有 $\sigma_{\rm DESI}/\sigma_{\rm HERA} \approx 2.0$。尽管如此，莱曼α森林约束将比当前基于高红移星系先验的再电离观测约束紧约三倍。