[论文解读] Optical Depth of the Cosmic Microwave Background and Reionization of the Intergalactic Medium

J. Michael Shull, Aparna Venkatesan|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

本文利用WMAP-3测量的CMB光学深度（τₑ = 0.09 ± 0.03）约束宇宙再电离的时期与来源。结果表明，约50%的τₑ来自红移zᵣ ≈ 6.1以内的完全电离的星际介质（IGM），而剩余的τₑ ≤ 0.03必须来自z > 6.1的早期恒星与黑洞，其电离效率和X射线及残留电子的预电离作用受到限制。

ABSTRACT

We examine the constraints on the epoch of reionization (redshift z_r) set by recent WMAP-3 observations of tau_e = 0.09 +/- 0.03, the electron-scattering optical depth of the cosmic microwave background (CMB), combined with models of high-redshift galaxy and black hole formation. Standard interpretation begins with the computed optical depth, tau_e = 0.042 +/- 0.003, for a fully ionized medium out to z_r = 6.1 +/- 0.15, including ionized helium, which recombines at z ~ 3. At z > z_r, one must also consider scattering off electrons produced by from early black holes (X-ray pre-ionization) and from residual electrons left from incomplete recombination. Inaccuracies in computing the ionization history, x_e(z) add systematic sources of uncertainty in tau_e. The required scattering at z > z_r can be used to constrain the ionizing contributions of "first light" sources. In high-z galaxies, the star-formation efficiency, the rate of ionizing photon production, and the photon escape fraction are limited to producing no more than Delta-tau_e < 0.03 +/- 0.03. The contribution of minihalo star formation and black-hole X-ray preionization at z = 10-20 are suppressed by factors of 5-10 compared to recent models. Both the CMB optical depth and H I (Ly-alpha) absorption in quasar spectra are consistent with an H~I reionization epoch at z_r ~ 6 providing 50% of the total tau_e at z < z_r, preceded by a partially ionized medium at z ~ 6-20.

研究动机与目标

• 将WMAP-3测量的CMB光学深度τₑ = 0.09 ± 0.03解释为宇宙大尺度介质（IGM）再电离历史的函数。
• 量化红移z > zᵣ的早期大质量恒星与X射线源对观测到的τₑ的电离光子贡献。
• 约束高红移星系与黑洞的电离光子产生与逃逸效率。
• 评估因不完全复合与非平衡电离过程带来的系统性不确定性。

提出的方法

• 基于标准再电离模型，计算得到完全电离IGM在zᵣ = 6.1 ± 0.15时的标准光学深度τₑ = 0.042 ± 0.003。
• 在剩余τₑ归因于部分电离IGM中电子散射的前提下，推导出残余光学深度Δτₑ ≤ 0.03 ± 0.03（来自z > zᵣ的源）。
• 对第三星族/第二星族恒星的电离光子产生效率（ε*）与逃逸分数（f_esc）进行建模，基于Δτₑ ≤ 0.03得出约束。
• 构建X射线效率参数ε_X = f_b ×（每吸积一个重子所释放的X射线光子数）的模型，假设X射线逃逸分数≈1，且每个光子导致12次电离。
• 利用电离历史xₑ(z)计算散射贡献，同时考虑因不完全复合而残留的电子。
• 应用电离率方程dxe/dz ∝ ε* × (1 + z)³，将电离效率与τₑ关联，结合观测到的Δτₑ进行约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的CMB光学深度τₑ = 0.09 ± 0.03中，有多少比例来自红移zᵣ ≈ 6.1以内的完全电离IGM？
• RQ2 有多少额外的光学深度Δτₑ ≤ 0.03 ± 0.03可归因于z > zᵣ的电离源？这对早期恒星形成效率与光子逃逸有何含义？
• RQ3 早期黑洞产生的X射线预电离在多大程度上可贡献Δτₑ？与恒星的紫外电离相比如何？
• RQ4 电离历史xₑ(z)中的不确定性（特别是因不完全复合导致的）如何影响推断出的τₑ与源约束？
• RQ5 在X射线电离效率已知的前提下，为产生观测到的Δτₑ，黑洞空间密度与吸积率的上限是多少？

主要发现

• 观测到的CMB光学深度τₑ = 0.09 ± 0.03表明，约50%（τₑ ≈ 0.042 ± 0.003）来自红移zᵣ = 6.1 ± 0.15以内的完全电离IGM。
• 剩余的Δτₑ ≤ 0.03 ± 0.03必须来自z > zᵣ的电离源，这限制了高红移星系中电离效率与光子逃逸分数。
• 在z ≈ 10–20处，早期黑洞产生的X射线预电离相比近期模型被抑制了5至10倍，原因在于所需Δτₑ较低。
• 不完全复合导致的残留电子对τₑ有显著贡献，但引入了电离历史推断中的系统性不确定性。
• 在z ≈ 20至z ≈ 6之间，IGM电离分数xₑ,₀ ≈ 0.1的区域将贡献Δτₑ ≈ 0.018，占总τₑ的不可忽视比例。
• 对X射线效率ε_X的约束表明，黑洞空间密度与吸积率很可能低于先前基于WMAP-1测量的τₑ = 0.17所推断的值。