第一代恒星产生的 21 厘米涨落的丰富复杂性

我们探讨了红移范围 z = 7-40 内 21 厘米信号的完整演化历史。该红移范围涵盖了与原初恒星形成相关的各个宇宙演化时期，且应能被现有或计划中的低频射电望远镜所观测。我们采用半数值计算方法，在 0.03 至 1 Mpc$^{-1}$ 的波数范围内探索涨落信号，同时考虑了 Ly-$\alpha$、X 射线、Lyman-Werner 和电离辐射的不均匀背景。我们重点关注近期提出的预期，即加热主要由大质量 X 射线双星产生的硬 X 射线谱主导。我们研究了由此导致的宇宙加热延迟和气体温度涨落的抑制，并允许对贡献于恒星形成的最小晕质量进行大幅变化。我们表明，观测中检测到加热峰值的波数应能告诉我们发射光子的特征平均自由程和能谱，从而为加热原初宇宙的源的性质提供关键线索。我们还考虑了视线方向的各向异性，这使得可以从 21 厘米信号中提取额外信息。例如，宇宙气体被加热至宇宙微波背景温度的加热转变期，应由一个特别各向同性的功率谱清晰标记。更一般地，额外的交叉功率分量 $P_X$ 直接探测了哪些源主导了 21 厘米涨落。特别是，在宇宙再电离期间（以及在上述加热转变之后），$P_X$ 在由电离涨落主导的尺度上为负，而在由温度涨落主导的尺度上为正。