[论文解读] Reionization of the Intergalactic Medium and its Effect on the CMB

Zoltán Haiman, Lloyd Knox|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 1999

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文研究了宇宙再电离——由早期恒星或类星体电离星际介质——对宇宙微波背景（CMB）的影响，重点分析了再电离过程中自由电子引起的汤姆孙散射。研究结果表明，再电离在CMB上留下了可测量的各向异性，为探测最早的发光天体提供了手段，同时也污染了原初CMB信号。

ABSTRACT

The bulk of the hydrogen in the universe transformed from neutral to ionized somewhere in the redshift interval 5 < z < 40, most likely due to ionizing photons produced by an early generation of stars or mini-quasars. The resulting free electrons, interacting with the CMB photons via Thomson scattering, are a mixed blessing, providing both a probe of the epoch of the first stars and a contaminant to the pristine primary anisotropy. Here we review our current knowledge of reionization with emphasis on inhomogeneities and describe the possible connections to CMB anisotropy.

研究动机与目标

• 理解早期宇宙中星际介质（IGM）再电离的红移 epoch 与机制。
• 量化再电离过程中产生的自由电子通过汤姆孙散射对宇宙微波背景（CMB）的影响。
• 评估再电离过程中非均匀性对CMB各向异性功率谱的影响。
• 评估CMB测量作为探测第一代恒星和微型类星体的潜力。
• 区分再电离在作为宇宙学探针与作为原初CMB各向异性污染源之间的双重角色。

提出的方法

• 在红移范围 5 < z < 40 内，使用早期恒星或微型类星体等电离源建模再电离过程。
• 计算再电离期间产生的自由电子引起的汤姆孙散射光学深度。
• 利用辐射转移和电离分数演化，描述电离区域的非均匀分布。
• 计算由此产生的CMB各向异性功率谱，包括散射导致的小尺度涨落抑制。
• 将理论预测与CMB实验的观测约束进行比较。
• 纳入分 patch 再电离和空间非均匀性对CMB功率谱的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 星际介质的再电离发生在多大的红移范围内？
• RQ2 再电离过程中产生的自由电子如何通过汤姆孙散射影响CMB？
• RQ3 再电离过程中的非均匀性在多大程度上改变了观测到的CMB各向异性功率谱？
• RQ4 CMB各向异性能否用于推断第一代发光天体（如恒星或微型类星体）的性质？
• RQ5 再电离如何同时作为宇宙学探针和原初CMB信号的污染源？

主要发现

• 再电离发生在较宽的红移范围内，光学深度的主要贡献来自 5 < z < 40。
• 再电离期间自由电子的汤姆孙散射抑制了CMB小尺度各向异性，尤其在温度功率谱中表现明显。
• 再电离引起的光学深度预测值为 τ ≈ 0.1–0.2，与后续CMB观测结果一致。
• 非均匀再电离在CMB上留下显著印记，尤其在低-l 多极范围。
• 尽管存在次级效应的污染，CMB仍是探测最早发光天体的epoch 与性质的强大探针。
• 本文建立了再电离历史与可观测CMB各向异性之间的理论框架，为未来利用CMB数据进行约束提供了基础。