[论文解读] Implications of WMAP Three Year Data for Reionization

Marcelo A. Alvarez, Paul R. Shapiro+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2006

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

该论文重新分析了WMAP三年CMB数据，表明电子散射光学深度的降低（τ_es = 0.09 ± 0.03）意味着再电离红移较早前估计（z_r ≈ 17）更晚（z_r ≈ 11）。尽管再电离时间推迟，但由于原始功率谱振幅（σ₈）和谱倾斜的降低，每坍缩重子所需的电离效率保持不变，表明早期光源仍需高效率，例如来自第三星族恒星的贡献。

ABSTRACT

New results on the anisotropy of the cosmic microwave background (CMB) and its polarization based upon the first three years of data from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) have revised the electron scattering optical depth downward from tau_es= 0.17+/-0.07 to tau_es=0.09+/-0.03. This implies a shift of the effective reionization redshift from z_r~17 to z_r~11. Previous attempts to explain the high redshift of reionization inferred from the WMAP 1-year data have led to widespread speculation that the sources of reionization must have been much more efficient than those associated with the star formation observed at low redshift. This is consistent, for example, with the suggestion that early star formation involved massive, Pop III stars which early-on produced most of the ionizing radiation escaping from halos. It is, therefore, tempting to interpret the new WMAP results as implying that we can now relax those previous high demands on the efficiency of the sources of reionization and perhaps even turn the argument around as evidence against such high efficiency. We show that this is not the case, however. The new WMAP results also find that the primordial density fluctuation power spectrum has a lower amplitude, sigma_8, and departs substantially from the scale-invariant spectrum. We show that these effects combine to cancel the impact of the later reionization implied by the new value of tau_es on the required ionizing efficiency per collapsed baryon. The delay of reionization is surprisingly well-matched by a comparable delay (by a factor of ~1.4 in scale factor) in the formation of the halos responsible for reionization.

研究动机与目标

• 重新评估WMAP三年CMB数据对宇宙再电离时序与效率的影响。
• 解决较晚再电离红移与仍需高度高效电离源之间的明显矛盾。
• 研究σ₈和原始功率谱形状的变化如何影响每坍缩重子所需电离效率。
• 检验光学深度τ_es降低是否缓解了对早期光源效率的约束，特别是对第三星族恒星而言。
• 量化再电离延迟与星系团形成延迟之间的平衡，以调和观测约束与理论模型。

提出的方法

• 分析WMAP三年CMB各向异性和偏振测量，以获得τ_es和σ₈的更新约束。
• 将光学深度τ_es用作电离历史的代理，通过τ_es ≈ ∫₀^{z_r} n_e σ_T c dt将其与有效再电离红移z_r关联。
• 将新的τ_es = 0.09 ± 0.03与先前一年期结果（τ_es = 0.17 ± 0.07）对比，评估再电离时序的变化。
• 评估σ₈降低（密度涨落振幅减小）和谱倾斜对电离星系团形成红移的影响。
• 应用标度论证表明，再电离延迟（约1.4倍尺度因子）与负责再电离的星系团形成延迟相匹配，从而保持所需电离效率不变。
• 结合CMB功率谱与光学深度的约束，评估其与早期恒星形成及第三星族效率模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 修订后的WMAP三年光学深度（τ_es = 0.09 ± 0.03）如何影响推断的有效再电离红移？
• RQ2 新τ_es所暗示的较晚再电离是否降低了每坍缩重子所需的电离效率？
• RQ3 σ₈和原始功率谱形状的变化在多大程度上补偿了再电离延迟对效率需求的影响？
• RQ4 再电离延迟能否在不引入如第三星族恒星等高效率光源的前提下，与所需电离输出相协调？
• RQ5 再电离红移与星系团形成红移之间存在何种标度关系，可维持电离效率约束？

主要发现

• 电子散射光学深度被修订为τ_es = 0.09 ± 0.03，意味着有效再电离红移较一年期WMAP数据的z_r ≈ 17更晚，为z_r ≈ 11。
• 尽管再电离时间推迟，每坍缩重子所需的电离效率仍保持不变，这是由于σ₈降低和非标度不变的原始功率谱共同作用所致。
• 再电离的延迟与负责再电离的星系团形成在尺度因子上约1.4倍的延迟相匹配。
• σ₈降低和谱倾斜的减少抵消了τ_es降低的影响，维持了对高效率电离源（如大质量第三星族恒星）的需要。
• 新WMAP结果并未放松对光源效率的约束；相反，它们仍维持对高度高效早期光源的需求，挑战了‘较晚再电离意味着需求降低’的观点。
• 再电离延迟与星系团形成延迟的一致性表明，结构形成与电离的时序通过原始功率谱内在地相互关联，形成自洽图景。