软光子加热：面向 21cm 宇宙学的半解析框架及其应用

在高红移处（例如射电背景）存在大量低频光子的存在，可以通过快速的自由-自由吸收作用对物质温度和自旋温度的演化产生主导性影响。这种效应称为软光子加热，对于 21cm 宇宙学中差分亮度温度 $\Delta T_{\rm b}$ 的演化具有显著影响。本文引入一个半解析框架来描述软光子加热的动力学，提供一套简化的演化方程和一个有用的数值方案，可用于研究这一通用效应。我们还进行准瞬时和连续软光子注入，以阐明软光子加热在全球 21cm 信号及其涨落中预期产生显著贡献的不同 regime。我们发现，再复合后产生的软光子背景在光谱指数 $\gamma > 3.0$ 时会发生显著的自由-自由吸收，因此该加热效应不能被忽略。该效应随光谱指数变得更加强烈，在某些情况下，注入类似同步辐射的光谱（$\gamma = 3.6$）会抑制 $\Delta T_{\rm b}$ 相对于标准模型预测的幅度，使得在这些情景下全球 21cm 信号甚至更难检测。