[论文解读] Distortion of the CMB Spectrum by Primeval Hydrogen Recombination

P. Boschán, Peter Biltzinger|ArXiv.org|Nov 5, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文计算了原初氢复合过程中宇宙微波背景（CMB）光谱的畸变，考虑了诱导复合和氢光谱的物理截断。研究发现，包含诱导复合使有效复合系数提高约四倍，加速了复合过程，并使剩余电离度降低约2.6倍。在不同宇宙学参数下，光谱畸变在190 μm以下尤为显著。

ABSTRACT

We solve the recombination equation by taking into account the induced recombinations and a physical cut off in the hydrogen spectrum. The effective recombination coefficient is parametrized as a function of temperature and free electron density and is about a factor of four larger than without the induced recombination. This accelerates the last stage of the recombination processes and diminishes the residual ionization by a factor of about 2.6. The number and energy distribution of photons issuing from the hydrogen recombination are calculated. The distortion of the cosmic microwave background (CMB) spectrum depends strongly on the cosmological parameters Ω, Ω_b and H_0 and differs essentially from the Planck-spectrum for wavelengths < 190 μm.

研究动机与目标

• 模拟早期宇宙中氢复合引起的CMB光谱畸变。
• 考虑此前被忽略或近似处理的诱导复合过程以及氢光谱的物理截断。
• 量化宇宙学参数（Ω, Ω_b, H₀）对产生的CMB光谱畸变的影响。
• 通过采用物理上合理的有效复合系数参数化方法，提高复合历史建模的准确性。

提出的方法

• 求解包含诱导复合过程的复合方程。
• 在氢光谱中应用物理截断，以避免出现物理上不合理的高能跃迁。
• 将有效复合系数参数化为温度和自由电子密度的函数。
• 计算氢复合过程中发射的光子数量和能量分布。
• 评估不同波长下（尤其是190 μm以下）的CMB光谱畸变。
• 使用宇宙学参数（Ω, Ω_b, H₀）作为输入，以确定光谱畸变对这些参数的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原初氢中包含诱导复合如何影响有效复合系数？
• RQ2 氢光谱中的物理截断对复合动力学有何影响？
• RQ3 包含诱导复合如何改变复合后的剩余电离分数？
• RQ4 由氢复合引起的CMB畸变的幅度和光谱形状如何？
• RQ5 对宇宙学参数（如Ω, Ω_b, H₀）的变化，所产生的光谱畸变有多敏感？

主要发现

• 当包含诱导复合时，有效复合系数提高约四倍。
• 由于诱导过程导致的复合速率增加，复合的最后阶段被加速。
• 与未包含诱导复合的模型相比，剩余电离分数降低了约2.6倍。
• 在波长小于190 μm时，CMB光谱畸变变得显著。
• 畸变模式强烈依赖于宇宙学参数，尤其是Ω, Ω_b, 和 H₀，在亚毫米波段明显偏离普朗克谱。