LIMFAST. I. 一种用于谱线强度映射的半数值工具

我们介绍了 LIMFAST，一个用于模拟高红移星系形成与宇宙再电离的半数值代码，这些过程由多示踪谱线强度映射（LIM）信号揭示。LIMFAST 基于并扩展了广泛用于 21 cm 宇宙学研究的 21cmFAST 代码，实现了最先进的星系形成与演化模型。包括各种恒星形成谱线产生在内的星系际辐射背景，以及示踪中性星系际介质（IGM）的 21 cm 谱线信号，通过耦合到星系形成模型的电离建模和恒星族合成得到自洽描述。我们介绍了该代码的基本结构与功能，并通过展示预言的与观测到的宇宙恒星形成、IGM 中性 fraction 及金属增丰演化之间的广泛一致，证明了其有效性与能力。我们还给出了由 LIMFAST 模拟的 21 cm、Ly$\alpha$、H$\alpha$、H$\beta$、[OII] 和 [OIII] 谱线的 LIM 信号，并与文献中的结果进行比较。我们详述了我们建模框架的几个主要方面（包括恒星形成、化学增丰和光电离模型）如何影响不同的 LIM 观测量，从而在应用于观测数据后变得可检验。LIMFAST 旨在成为一个高效且资源丰富的强度映射研究通用工具，探索广泛的星系演化与再电离情景以及可测量有用宇宙学信号的频率范围。