早期宇宙中 CMB 谱畸变的演化

宇宙微波背景（CMB）的能谱可用于限制早期宇宙中的能量释放事件。本文重新审视并改进了宇宙热化问题的计算。为此，我们开发了一个名为 CosmoTherm 的新代码，该代码能够在膨胀且各向同性的宇宙中求解耦合的光子 - 电子玻尔兹曼方程，以处理 CMB 中的小额谱畸变。我们明确计算了由以下原因引起的能量释放所导致的谱畸变形状：(i) 暗物质湮灭；(ii) 遗迹粒子衰变；(iii) 声波耗散；以及 (iv) 准瞬时加热。我们还证明，(v) CMB 光子与绝热冷却的非相对论性电子和重子之间的持续相互作用，会在 GHz 频段引起幅度为 DI_nu/I_nu ~ 10^{-8} 的负 mu 型 CMB 谱畸变。我们在求解热化问题时，包含了改进的双康普顿散射和轫致辐射发射率近似，以及最新的宇宙复合过程处理方法。在红移 z <~ 10^3 时，物质开始显著冷却至低于 CMB 温度，因此在极低频率下，自由 - 自由吸收会显著改变原初畸变的形状。此外，冷却电子的逆康普顿散射会在高频处引入一个微小的晚期负 y 型畸变。我们还结合最近提出的 CMB 实验 Pixie 讨论了我们的结果，CosmoTherm 应能对其进行详细预测。目前的计算表明，对于由 (ii) 和 (iv) 引起的能量注入，Pixie 应能改善现有的限制界限，而其他过程引起的 CMB 畸变在 Pixie 目前提出的灵敏度和频段下似乎仍不可观测。