高红移源周围21厘米区域中的Wouthuysen-Field耦合
宇宙学与河外天体物理
2015-05-13 v1 地球与行星天体物理
星系天体物理
摘要
来自第一代恒星周围气体晕的21厘米发射和吸收取决于Wouthuysen-Field(W-F)耦合，该耦合通过莱曼α光子与中性氢之间的共振散射将自旋温度与氢气的动力学温度联系起来。虽然中心天体通常是这些光子的强源，但这些光子在21厘米区域中的转移效率低下，因为光子的光学深度很大。因此，来自源的光子可能无法及时转移到整个21厘米区域以提供W-F耦合。这个问题很重要，因为第一代恒星的寿命通常很短。我们通过数值求解描述这些共振光子在物理空间和频率空间中动力学的积分微分方程来研究该问题。我们表明，物理空间中的光子转移过程实际上与频率空间中的转移过程是耦合的。首先，频率空间中的扩散为物理空间中的扩散提供了捷径。它使得光学深度为τ的介质中共振光子逃逸的平均时间大致与光学深度τ成正比，而不是τ²。其次，共振散射有效地将频率不等于初始频率的光子反弹回初始频率。这个过程可以恢复初始频率的光子，并在初始频率周围建立光子光谱的局部玻尔兹曼分布。因此，“捷径逃逸”加上“反弹回”的机制使得W-F耦合能够在第一代恒星周围的21厘米区域中正确实现。这种机制也适用于通过红移注入21厘米区域的光子。
引用
@article{arxiv.0908.1695,
title = {Wouthuysen-Field Coupling in the 21 cm Region Around High Redshift Sources},
author = {I. Roy and W. Xu and J. M. Qiu and C. W. Shu and L. Z. Fang},
journal= {arXiv preprint arXiv:0908.1695},
year = {2015}
}
备注
26 pages, 11 figures. Accepted by the Astrophysical journal