[论文解读] Revealing the formation histories of the first stars with the cosmic near-infrared background

Guochao Sun, Jordan Mirocha+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 179被引用 27

一句话总结

本文提出，宇宙近红外背景（NIRB）可通过其独特的光谱特征，揭示高红移第一代恒星（Population III）的形成历史，特别是1 μm以红的强Ly𝛼发射特征。基于高红移星系数据校准的半经验模型表明，若第一代恒星形成效率较高，则其产生的NIRB涨落可被SPHEREx等未来任务探测到，从而为早期恒星形成提供有力探针，尽管直接探测存在挑战。

ABSTRACT

The cosmic near-infrared background (NIRB) offers a powerful integral probe of radiative processes at different cosmic epochs, including the pre-reionization era when metal-free, Population III (Pop III) stars first formed. While the radiation from metal-enriched, Population II (Pop II) stars likely dominates the contribution to the observed NIRB from the reionization era, Pop III stars -- if formed efficiently -- might leave characteristic imprints on the NIRB thanks to their strong Ly$\alpha$ emission. Using a physically-motivated model of first star formation, we provide an analysis of the NIRB mean spectrum and anisotropy contributed by stellar populations at $z>5$. We find that in circumstances where massive Pop III stars persistently form in molecular cooling haloes at a rate of a few times $10^{-3}\,M_\odot \ \mathrm{yr}^{-1}$, before being suppressed towards the epoch of reionization (EoR) by the accumulated Lyman-Werner background, a unique spectral signature shows up redward of $1\,\mu$m in the observed NIRB spectrum sourced by galaxies at $z>5$. While the detailed shape and amplitude of the spectral signature depend on various factors including the star formation histories, IMF, LyC escape fraction and so forth, the most interesting scenarios with efficient Pop III star formation are within the reach of forthcoming facilities such as the Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer (SPHEREx). As a result, new constraints on the abundance and formation history of Pop III stars at high redshifts will be available through precise measurements of the NIRB in the next few years.

研究动机与目标

• 建模高红移（z > 5）第二代与第一代星系形成活动对宇宙近红外背景（NIRB）的贡献。
• 研究第一代恒星的形成历史——特别是其恒星形成速率与初始质量函数——如何在其光谱与空间特性上留下可探测的印记。
• 评估利用SPHEREx与CDIM等未来任务的NIRB测量结果约束第一代恒星形成的可能性。
• 探索分离技术，以从前景信号中隔离高红移NIRB贡献，并区分第二代与第一代恒星的信号。

提出的方法

• 开发基于高红移星系光度函数与恒星形成率密度观测数据校准的星系演化与恒星形成半经验模型。
• 引入物理反馈机制，包括莱曼-沃纳背景，以调控星系中微小暗物质晕内第一代恒星的形成。
• 利用合成星系群体计算NIRB平均光谱与角功率谱，考虑Ly𝛼发射、尘埃消光与莱曼连续光逃逸分数。
• 应用全协方差角功率谱分析，基于其独特的空间与光谱结构分离NIRB各成分。
• 结合三维示踪（如21-cm图与测光星系星表）进行联合分析，以提升第二代与第一代恒星贡献的分离能力。
• 通过SPHEREx与CDIM的灵敏度预测评估第一代恒星特征的可探测性，考虑不同恒星形成历史与初始质量函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙近红外背景（NIRB）能否通过其光谱与空间特征揭示z > 5时第一代恒星的形成历史？
• RQ2 在大质量、无金属的第一代恒星中，强Ly𝛼发射会在NIRB中产生何种特定光谱特征？
• RQ3 莱曼-沃纳反馈、初始质量函数与莱曼连续光逃逸分数的不确定性如何影响NIRB中第一代恒星信号的可探测性？
• RQ4 未来任务如SPHEREx与CDIM在多大程度上可将第一代恒星贡献从主导的第二代恒星与低红移前景中分离？
• RQ5 与21-cm与测光星系巡天的交叉相关分析如何提升NIRB中高红移第一代恒星信号的隔离能力？

主要发现

• 在观测NIRB光谱中1 μm以红的区域，会因大质量第一代恒星中强烈的Ly𝛼发射而产生独特的光谱特征，尤其在分子冷却晕中高效形成的情境下。
• 在第一代恒星形成率约为~10−3 M⊙ yr−1 Mpc−3的乐观模型中，第一代恒星对NIRB涨落的贡献可达到第二代恒星信号的几十分之一，具备潜在可探测性。
• NIRB光谱特征的形状与幅度对第一代恒星初始质量函数、莱曼连续光逃逸分数以及第一代与第二代恒星的反馈均高度敏感。
• 通过全协方差角功率谱分析实现的成分分离，即使在无外部数据支持下，也能以信噪比S/N ≳5的精度隔离高红移NIRB贡献，从而实现对第一代恒星形成历史的约束。
• 未来任务如SPHEREx与CDIM有望对第一代恒星形成施加有意义的约束，尤其能排除或削弱高质​​量、高效率第一代恒星形成的极端情景。
• NIRB与21-cm及测光星系巡天的联合分析将增强对第二代与第一代恒星贡献的解耦能力，并克服前景污染等系统误差。