Wouthuysen-Field耦合强度及其在高红移21厘米辐射中的应用
天体物理学
2009-11-13 v2
摘要
宇宙中的第一批紫外源预期会通过莱曼-阿尔法共振散射（Wouthuysen-Field效应，简称WF效应）将HI自旋温度与气体动力学温度耦合起来。通过建立不同于宇宙微波背景温度的HI自旋温度，WF效应应能使得在再电离时期通过红移21厘米谱线观测到HI成为可能。本文研究了四种先前未被考虑的、可能影响WF效应强度的机制：(1) 红移进入HI莱曼共振的光子可能激发氢原子，并导致以双光子2s->1s发射终结的辐射级联，而非如通常假设的那样总是衰变为Lyman-阿尔法光子。(2) Lyman-阿尔法共振的精细结构改变了光子频率分布，并导致散射率受到抑制。(3) 自旋翻转散射改变了光子的频率，并导致光子谱不是弛豫到气体的动力学温度，而是弛豫到介于动力学温度和自旋温度之间的一个温度，从而有效降低了Wouthuysen-Field耦合的强度。(4) 在谱线中心附近，光子可以在单次散射事件中改变其频率达数倍线宽，从而可能使基于扩散近似的Lyman-阿尔法谱畸变常规计算失效。研究表明，(1) 将WF耦合强度抑制高达约2倍，而(2)和(3)仅在低动力学温度下才重要。效应(4) 对于动力学温度T_k>=2K的情况影响<=3%。如果再电离前的IGM被X射线有效加热，则只有效应(1)是重要的。本文提供了适用于T_k>=2K和Gunn-Peterson光深10^5--10^7范围的拟合公式。[节选]
引用
@article{arxiv.astro-ph/0507102,
title = {Wouthuysen-Field coupling strength and application to high-redshift 21 cm radiation},
author = {Christopher M. Hirata},
journal= {arXiv preprint arXiv:astro-ph/0507102},
year = {2009}
}
备注
17 pages, 7 figures, MNRAS accepted version