宇宙前中和期中中性氢的自旋温度

我们重新审视了碰撞在将 HI 21-cm 自旋温度从宇宙微波背景 (CMB) 解耦作用。自由电子与其他原子在碰撞中 de-exciting 21-cm 转换的截面比其他情况大 10 倍。如果自由电子在扩散宇宙气体中的比例在 10-30% 之间，那么即使在 z>15 的中等稀疏区域，碰撞也足以将自旋温度从宇宙微波背景 (CMB) 解耦。这种解耦在 Ly-alpha 连续背景尚未建立的非常早期中尤为重要。作为详细例子，我们发展了一个半解析模型来量化 z>10 由 X 射线背景部分电离的扩散气体的 21-cm 发射信号。我们发现 21-cm 差分亮度温度波动的平均值约为 8 mK，rms 值可达 5 mK，频率分辨率带宽为 100 KHz，束大小为 3 arcmin。自由电子-原子碰撞在另一个例子中也很重要，即短命 UV 源电离气泡的复合过程中。当这些气泡中电离分数降到 10-20% 时，其差分温度可达 10 mK。我们还考虑了 21-cm 温度随频率的相关性。由于各向同性，与天平面上的角向投影相关性的比较应给出物质密度参数 Omega_m 和暗能量分量的估计。这一变体 Alcock-Paczyski test 适用于任何中和情景。