再电离末期阶段的 21-cm 信号

在再电离时期 (EoR)，21-cm 信号允许直接观测星系际介质 (IGM) 中的中性氢 (HI)。在再电离后时代，该信号转而探测星系中的 HI，这追踪了暗物质密度分布。借助新的数值模拟，我们研究了再电离的末期阶段，以阐明我们的宇宙向再电离后时代的转变。我们的模型与最新的高红移测量结果一致，包括红移 $\simeq$8 以内的紫外 (UV) 光度函数。值得注意的是，这些模型一致地再现了 UV 光子背景的演化，该演化受莱曼 $\alpha$ 吸收光谱约束。我们研究了该背景对 IGM 中光子汇性质的依赖关系，要求在 EoR 期间 UV 光子的平均自由程为 $\sim$10 共动兆秒差距，并在晚期阶段 ($z\lesssim 6$) 随时间逐渐增加。我们的模型揭示，当宇宙的中性度低于 0.01% 时，IGM 的再电离过程从由内向外转变为由外向内。在这一时期，21-cm 信号也从主要探测 IGM 中的 HI 转变为探测星系中的 HI。此外，我们识别出大量具有统计显著性的大型中性岛（尺寸达 40 cMpc），它们持续存在至极晚期阶段 ($5 \lesssim z \lesssim 6$)，能够在莱曼 $\alpha$ 吸收光谱中留下印记，并在 21-cm 功率谱中产生膝状特征。