原初恒星形成与再电离过程中反馈的自洽半解析建模

我们提出了一种关于首批恒星形成的新半解析模型。我们的方法以宇宙学 N 体模拟中的暗物质晕合并树（包含三维空间信息）为输入，并应用解析方案来计算第三星族（Pop III）和金属增丰恒星的形成历史。我们开发了一种新方法，用于精确计算影响 Pop III 恒星形成的主要反馈过程：来自 Lyman-Werner（LW）辐射的 H$_2$ 光解离、由非均匀再电离导致的恒星形成抑制，以及经由超新星风实现的金属增丰。我们的方法利用基于网格、依赖快速傅里叶变换（FFTs）的途径，在整个模拟盒中快速追踪三维的 LW 强度、电离分数与金属丰度。我们给出了从 $z\approx 30-6$ 大范围天体物理模型参数的模拟。起初，长程 LW 反馈以及局域金属增丰与再电离反馈占主导。然而，对于 $z \lesssim 15$，我们发现 Pop III 恒星的恒星形成率密度（SFRD）受到外部金属增丰（来自一个晕的金属污染其他原初晕）与非均匀再电离共同的影响。我们发现这些过程的相互作用对 $z \lesssim 10$ 时的 Pop III SFRD 尤为关键。再电离反馈将恒星形成推迟得足够久，使得金属泡能够抵达原本会形成 Pop III 恒星的晕。与仅考虑 LW 反馈相比，包含这些效应可使 $z=6$ 时的 Pop III SFRD 下降超过一个数量级。