[論文レビュー] Dynamics of the Primordial Hydrogen and Helium (HeI) Recombination in the Universe

В. К. Дубрович, С. И. Грачев|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2005

Atomic and Molecular Physics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、水素およびヘリウム（HeI）原始再結合の力学を、水素およびパラヘリウムの励起状態からの二光子崩壊、およびヘリウムの結合線 $2\,^{3}\!P_{1}\leftrightarrow 1\,^{1}\!S_{0}$ における放射線輸送を組み込むことで見直している。これらの補正により、従来のモデルと比較してヘリウム再結合が顕著に加速され、水素のイオン化度が最大4.3%低下し、平衡状態（Saha）予測との一致が著しく向上する。この結果は、CMBパワースペクトルモデリングおよび再結合線検出に影響を与える。

ABSTRACT

The dependences on z of fractional number densities of H+ and He+ ions are calculated with a proper allowance for two-photon decays of upper levels of hydrogen and parahelium and radiative transfer in intercombination line 2 3P_1 --> 1 1S_0 of helium. It is shown that for hydrogen this gives corrections for a degree of ionization in no more than a few percents but for helium this leads to a significant acceleration of recombination compared to the recent papers by Seager et al. (1999; 2000) where these effects were ignored.

研究の動機と目的

• 水素およびパラヘリウムの上位準位からの二光子崩壊が原始再結合力学に与える影響を調査すること。
• ヘリウム結合線 $2\,^{3}\!P_{1}\leftrightarrow 1\,^{1}\!S_{0}$ における放射線輸送がHeI再結合に果たす役割を評価すること。
• これらの無視されがちな物理過程を組み込んだ再結合コード recfast.for の修正を行うこと。
• 宇宙マイクロ波背景（CMB）パワースペクトルおよび再結合線プロファイルの理論的予測の正確性を向上させること。

提案手法

• 水素（300準位）およびHeI（200準位）の非定常統計的平衡方程式を数値的に解き、電子、イオン、H⁻ の数密度を含む。
• 水素およびパラヘリウムの上位準位（n ≥ 3）からの二光子崩壊率を再結合速度計算に組み込む。
• ソボレフ近似を用いてヘリウムの結合線 $2\,^{3}\!P_{1}\leftrightarrow 1\,^{1}\!S_{0}$ における放射線輸送を明示的にモデル化する。
• 結果の妥当性を検証するため、修正済み recfast.for コードおよび独自開発の60準位原子モデルを用いる。
• アインシュタイン係数および放射場強度 $J_{1i}$ を用いて、ネット遷移率を計算する。
• 結果を平衡状態（Saha）予測および Seager ら（1999, 2000）の先行研究と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素およびパラヘリウムの励起状態からの二光子崩壊は、再結合期におけるイオン化度にどのように影響するか？
• RQ2 ヘリウム結合線 $2\,^{3}\!P_{1}\leftrightarrow 1\,^{1}\!S_{0}$ における放射線輸送は、どれほどHeI再結合を加速させるか？
• RQ3 これらの補正は、Seager ら（2000）モデルと比較して予測されるイオン化歴にどのように影響するか？
• RQ4 これらの改良は、理論的CMBパワースペクトルおよび再結合線プロファイルにどのような影響を与えるか？
• RQ5 修正済み recfast.for コードは、完全な多準位計算の結果を正確に再現できるか？

主な発見

• 水素の上位準位からの二光子崩壊はイオン化度を最大4.2%まで低下させる。Lyman線の放射線輸送による追加の1%低下を加えると、合計で最大4.3%の補正が得られる。
• ヘリウムの $2\,^{3}\!P_{1}\leftrightarrow 1\,^{1}\!S_{0}$ 結合線における放射線輸送は、従来のモデルと比較してHeI再結合を顕著に加速させる。
• これらの効果を組み込むことで、HeIイオン化歴は平衡状態（Saha）予測に近づき、パワースペクトルにおいてHu ら（1995）との乖離が約2倍に減少する。
• 修正済み recfast.for コードの結果は、完全な60準位原子モデルの結果と区別できないほどであり、その正確性が検証された。
• これらの補正は、CMBにおける再結合線（特に水素のバルマー線および複雑なヘリウム線）の検出および同定に不可欠である。
• 二光子崩壊率係数 $A$ の不確実性は約20%であり、これが理論的CMBパワースペクトルに対しても同程度の不確実性をもたらす。