活动星系核主导再电离产生的大尺度 21 cm 信号

本文基于针对活动星系核（AGN）主导再电离历史的高动态范围模拟，预测了 21 cm 亮度温度涨落的空间分布，该模拟已针对现有的莱曼-$\alpha$ 和 CMB 数据进行了测试。我们通过将观测到的 M-$\sigma$ 关系外推至高红移来模拟 AGN，并根据最近的紫外光度函数测量结果为其分配电离发射率。我们评估了在氢 21 cm 自旋温度显著大于 CMB 温度的极限下，预测的空间 21 cm 涨落在再电离晚期阶段对正在进行和即将开展的实验的可观测性。与由暗星系主导的类似再电离历史相比，我们的 AGN 主导再电离历史将 21 cm 发射的方差增加了高达十倍，在实验可及的尺度（$k < 1 h/cMpc$）上达到接近 $100 \text{ mK}^2$ 的值。这仅比正在进行实验声称已达到的灵敏度低约两倍或更少。当再电离由 AGN 主导时，由于更高质量晕的聚类偏差增强，所有尺度上的 21 cm 功率谱均得到增强，且大尺度 21 cm 功率的峰值显著增强并移至更大尺度，这是由于特征气泡尺寸更大所致。假设成功的前景扣除和仪器校准，AGN 主导的再电离应能被 LOFAR（以及后来的 HERA 和 SKA1）在其设计灵敏度下轻松探测到。反之，这些可能成为首个被 21 cm 实验排除的非平凡再电离情景，从而限制 AGN 对再电离的贡献。