再电离时期的大尺度 21 厘米功率谱

低频阵列及未来的平方公里阵列等射电干涉仪正试图测量再电离纪元（Epoch of Reionization）的球平均 21 厘米功率谱。因此，理解在各长度尺度上影响功率谱的主导物理过程，对解释未来任何探测结果至关重要。我们研究了一种 21 厘米功率谱的分解方法，并针对一组体积为 $(714~\mathrm{Mpc})^3$ 的数值与半数值模拟，量化了其组成项随时间的演化，重点关注 $k\lesssim 0.3$~Mpc$^{-1}$ 的大尺度。我们发现，在宇宙电离约 $10$% 之后，21 厘米功率谱遵循中性氢涨落的功率谱，而后者在超过某一尺度后遵循物质功率谱。因此该信号具有双区形式：大尺度信号是宇宙学密度场的偏置版本，小尺度功率谱由再电离天体物理决定。我们构建了一个偏置参数以研究大尺度 21 厘米信号与宇宙学密度场之间的关系。我们发现，尺度无关与尺度相关偏置区之间的转变尺度与电离光子的平均自由程（$\lambda_{\mathrm{MFP}}$）值直接相关，并由经验公式 $k_{\mathrm{trans}} \approx 2/\lambda_{\mathrm{MFP}}$ 刻画。此外，我们表明平均自由程效应的数值实现对该转变的形状有显著影响。最值得注意的是，若平均自由程效应作为吸收过程而非势垒实现，则转变更为平缓。