普罗分三号星形成与金属化演化半分析模型——II. 对 21cm 功率谱的影响

在大尺度宇宙模拟中模拟普罗分三号星 (Pop. III) 在小型暗核中的形成是极其具有挑战性的任务，但对于估计其对 21cm 功率谱的影响至关重要。本文在半分析代码 meraxes 中构建框架，估计普罗分三号星产生的辐射背景，用于计算 21cm 信号。我们计算了不同普罗分三号模型的 21cm 全球信号与功率谱，模型参数包括星形成效率、初始质量函数 (IMF) 和每单位星形成特定 X 射线亮度 ($L_X/SFR$)。在所考虑的所有模型中，我们发现普罗分三号星对重联历史几乎没有或微弱的影响，但由于其残骸释放的强 X 射线光子对 $z \geq$ 15 时中性宇宙介质 (IGM) 的加热作用，显著影响 IGM 的热状态。这一结果不仅体现在宇宙黎明期的 21cm 全球信号，也体现在 $z \leq$ 10 时的 21cm 功率谱上；具有强普罗分三号 X 射线发射的模型，其功率大于无或温和的普罗分三号 X 射线发射模型。我们使用 21cmsense 估计功率谱的观测不确定性，发现具有强于普罗分三号 II 星 X 射线发射的模型，可通过对即将到来的 SKA1-low 进行 1000 小时的观测被辨别于无或温和的普罗分三号 X 射线发射模型。