宇宙黎明时期的大 HI 光学深度与红移 21 厘米信号

由于宇宙黎明期间星系际介质（IGM）的动温和自旋温度预计非常低，HI 21 厘米光学深度（$\tau_b$）可能相当大。在 HI 过密度区域它会特别高。我们重新审视了广泛使用的用于估计 HI 21 厘米微分亮温度（$T_b$）的线性化方程的有效性，该方程假设 $\tau_b << 1$ 并将 $[1-\exp({-\tau_b})]$ 近似为 $\tau_b$。我们考虑两种情形，一种无任何额外冷却机制或射电背景（称为标准情形），另一种（称为过量冷却情形）假设类 EDGES 的吸收轮廓和一种过量冷却机制。我们发现，给定与标准（过量冷却）情形一致的可观测全局吸收信号，线性化方程将自旋温度高估了约 $5\%(10\%)$。此外，我们使用数值模拟研究了大光学深度对各种信号统计量的影响。我们观察到，在模拟分辨率（$\sim 0.5 h^{-1} \, {\rm Mpc}$）下计算的方差、偏度和峰度，在标准情形下分别被过高预测达 $\sim 30\%$、$30\%$ 和 $15\%$，在过量冷却情形下分别达 $\sim 90\%$、$50\%$ 和 $50\%$。而且，我们发现若不做近似，$T_b$ 的概率分布函数会被压缩并变得更呈高斯形状。球平均 HI 功率谱在所有尺度上被过高预测，标准情形下达 $\sim 25\%$，过量冷却情形下达 $\sim 80\%$。