早期宇宙HII区的结构与演化

我们研究了在红移z=10-30处形成的第一代恒星周围HII区的形成与演化。我们采用一维拉格朗日流体动力学代码，该代码自洽地包含了辐射输运和非平衡原初气体化学过程。恒星形成区域被定义为一个中心嵌有第三族恒星的球形气体云。我们探索了宿主暗物质晕质量、气体密度轮廓和恒星光度的大参数空间。HII区的形成特征表现为：中心附近先出现弱D型电离前沿的缓慢膨胀，随后R型前沿在整个外部气体包层中快速传播。我们发现，这两种前沿类型之间的转变确实是宇宙学感兴趣的暗物质晕完全电离的关键条件。在小质量（< 10^6 M_sun）暗物质晕中，转变发生在约10^5年内，导致电离光子与光解离光子的逃逸比例都很高（>80%）。在大质量（> 10^7 M_sun）暗物质晕中，电离前沿在大质量恒星的生命周期内保持D型，HII区被很好地限制在维里半径内，逃逸比例基本为零。我们推导出一个解析公式，能很好地重现我们的模拟结果。我们讨论了当前结果对恒星形成历史和宇宙早期再电离的直接意义。