暗年代的 21cm 角功率谱

在红移 z >~ 30 时，中性氢气吸收 CMB 辐射于 21cm 自旋翻转频率。从理论上讲，这可被观测到，是一种高精度的天体物理学探针。我们计算了该信号的线性理论角功率谱及不同红移之间的交叉相关（在远大于线宽的尺度上）。除了众所周知的红移失真和密度扰动来源外，完整的线性分析还给出额外的功率谱贡献。在小尺度上，由于 21cm 光深扰动，存在约 1% 的线性效应；扰动的再组合修改了气体温度扰动演化（从而影响自旋温度和 21cm 功率谱）。在大尺度上，有若干后牛顿和速度效应；虽然在小尺度上可忽略不计，但这些额外项在 l <~ 100 时可显著，而且即使无背景信号时也可为非零。我们还讨论了重新电离再散射的线性效应，这会抑制整个功率谱，并在大尺度上产生极小的极化信号。在小尺度上，我们还对演化和引力透镜效应的显著非线性效应进行了建模。我们给出用于数值计算的完整结果，以及各种近似解析结果，用于功率谱和小尺度扰动的演化。