利用 He II/H$\alpha$ 强度映射探测第三星族初始质量函数

我们展示了谱线强度映射通过测量 He II 1640A/H$\alpha$ 谱线强度比均值来约束第三星族（Population III）恒星初始质量函数（IMF）的潜力。我们用现代高红移星系形成与光致电离模型扩展了 21cmFAST 代码，并估算了红移 $5 \le z \le 20$ 处第二星族与第三星族星系的谱线发射。在我们的模型中，He II/H$\alpha \gtrsim 0.1$ 的均值比表明第三星族 IMF 为顶端重（top-heavy）型，含数百太阳质量的恒星，这在 $z \gtrsim 10$ 第三星族恒星主导恒星形成时达到。能力略优于 CDIM 的下一代空间任务将能通过高显著性地测量 He II 与 H$\alpha$ 涨落功率谱信号及其在高达 $z\sim 20$ 处的互相关来探测该情形。此外，无论 IMF 如何，He II/H$\alpha \lesssim 0.01$ 的比值表明第三星族恒星形成低迷，因此标志着该恒星族主导时期的结束。然而，相应 He II 功率谱的探测可能仅对顶端重第三星族 IMF 可行，或通过与更强的 H$\alpha$ 信号互相关实现。最后，$0.01 \lesssim$ He II/H$\alpha$ $\lesssim 0.1$ 的比值解释复杂，因其可由若干竞争效应驱动。我们讨论了不同红移下的多种测量以及谱线强度比与其他探测手段的结合如何有助于在此情形下约束第三星族 IMF。