首次高红移 21 厘米探测告诉我们关于早期星系的什么？

探测再电离时代全局信号实验(EDGES)最近报道了在 $z \sim 18$ 处相对于宇宙微波背景的强 21 厘米吸收信号。尽管其异常幅度可能指示新物理，本工作中我们聚焦于该信号的时间，因为仅此就对星系形成模型提供了重要约束。尽管大范围的红移上静止帧紫外光度函数(UVLFs)可由星系恒星形成历史追踪暗物质晕聚集的简单模型很好拟合，我们发现这些相同模型，辅以关于恒星形成星系中 X 射线产生的合理假设，无法在 $z \sim 18$ 产生狭窄的吸收槽。因此，若得以验证，EDGES 信号要求星系形成模型的基本输入在 $z \gtrsim 10$ 快速演化。除非居住在原子冷却阈值以下晕中的极暗弱源负责 EDGES 信号，否则 $\sim 10^8$-$10^{10} \ M_{\odot}$ 晕中的恒星形成必须比预期更高效，意味着在最高红移处 $M_{\mathrm{UV}} \lesssim -12$ 的 UVLF 暗端必须陡化。这一陡化为未来借助詹姆斯·韦伯空间望远镜的星系巡天及透镜场中的持续努力提供了具体检验，并且无论 EDGES 信号的幅度是由于新的冷却通道还是早期宇宙中强射电背景所致，都是必需的。然而，射电背景解要求 $z > 15$ 的星系以比本地恒星形成星系高约 $10^3$ 倍的效率发射 1-2 GHz 光子，这对早期宇宙低频光子产生模型提出了挑战。