第三星族恒星形成于何时终结？

我们构建了一个理论框架，通过结合宇宙学模拟数据与半解析模型，研究再电离后时期（$z\lesssim 6$）的第三星族（Pop III）恒星形成。我们发现，由于辐射反馈（即 Lyman-Werner 和电离辐射），大质量晕（$M_{\rm halo}\gtrsim 10^{9}\ \rm M_{\odot}$）是 $z\lesssim 6$ 时潜在 Pop III 恒星形成的主要（$\gtrsim 90$%）宿主，在超新星释放金属的低效混合下，致密贫金属气体团块可能存留并形成 Pop III 恒星。金属混合是决定 Pop III 恒星形成何时终结，以及每个宿主晕中活跃（active）Pop III 恒星总质量 $M_{\rm PopIII}$ 的关键过程，后者是直接探测和识别 Pop III 宿主的关键参数。由于我们对结构形成过程中金属混合的认识有限，这两方面仍不确定。当前预测范围从再电离结束时的早期终止（$z\sim 5$）到以不可忽略的速率 $\sim 10^{-7}\ \rm M_{\odot}\ yr^{-1}\ Mpc^{-3}$ 持续至 $z=0$ 的 Pop III 恒星形成，且 $M_{\rm PopIII}\sim 10^{3}-10^{6}\ \rm M_{\odot}$。这导致直接探测 Pop III 宿主的红移极限范围宽泛，$z_{\rm PopIII}\sim 0.5-12.5$，对于当前和未来空间望远镜（如 HST、WFIRST 和 JWST）探测率为 $\lesssim 0.1-20\ \rm arcmin^{-2}$。我们的模型还预测宇宙体积的大部分（$\gtrsim 90$%）被无金属气体占据。测量此无金属相的体积填充分数可约束金属混合参数和 Pop III 恒星形成。