宇宙黎明时期宇宙微波背景对星系际介质的加热

在宇宙中第一批恒星形成之前，星系际介质预计处于最冷状态。受EDGES实验近期结果的启发，我们重新审视了该时期中性气体动力学温度的标准计算。当首批紫外（UV）源开启时，光子红移至中性氢的莱曼线并在Lyman-$\alpha$ 线内反复散射。它们通过原子反冲加热气体，并经由Wouthuysen-Field效应，在与共振宇宙微波背景（CMB）光子的竞争中设定原子氢21厘米超精细（自旋翻转）线的自旋温度。我们表明Lyman-$\alpha$ 光子还介导了CMB光子与氢原子热运动之间的能量转移。在无X射线加热的情况下，这一新机制是对绝热冷却气体温度的主要修正（$\sim 10 \%$ 于 $z=17$），且是先前计算所得加热率的几倍。我们还发现，在非标准情景中该效应更为显著，这些情景要么增强高于CMB的射电背景，要么援引新物理以冷却气体来解释EDGES结果。与射电背景的耦合可使21厘米吸收特征的深度相对于无加热源情形减小近两倍，并阻止该特征形成平坦底部。作为产生吸收特征的UV背景的必然结果，这一加热应在任何理论预言中被计入。