[论文解读] The reheating and reionization history of the universe

Patrick Valageas, Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 1999

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种结合类星体的解析模型，用于统一描述宇宙的再加热与再电离历史，采用两种宇宙学模型（临界密度和开放的CDM模型）。研究发现，再电离红移为 z_ri ≈ 6.8（开放宇宙）或 z_ri ≈ 5.6（临界密度宇宙），在 z = 2.6 时紫外背景辐射峰值为 J₂₁ = 0.18，且需要暗弱类星体才能与观测一致；同时，金属丰度在 z = 10 时已超过 0.01 Z⊙。

ABSTRACT

We incorporate quasars into an analytic model to describe the reheating and reionization of the universe. In combination with a previous study of galaxies and Lyman-$α$ clouds, we are able to provide a unified description of structure formation, verified against a large variety of observations. We also take into account the clumping of the baryonic gas in addition to the presence of collapsed objects. We consider two cosmologies: a critical universe with a CDM power-spectrum and an open universe with $Ω_0=0.3$, $Λ=0$. The derived quasar luminosity function agrees reasonably well with observations at $z<4.5$ and with constraints over larger redshifts from the HDF. The radiation produced by these objects at $z \sim 16$ slowly reheats the universe which gets suddenly reionized at $z_{ri}=6.8$ for the open universe ($z_{ri}=5.6$ for the critical density universe). The UV background radiation simultaneously increases sharply to reach a maximum of $J_{21} = 0.18$ at $z=2.6$, but shows strong ionization edges until $z \leq 1$. The metallicity of the gas increases quickly at high $z$ and is already larger than $0.01 Z_{\odot}$ at $z=10$. The QSO number counts and the helium opacity constrain the reionization redshift to be $z_{ri} \sim 6$. We confirm that a population of faint quasars is needed in order to satisfy the observations. Due to the low reionization redshift, the damping of CMB fluctuations is quite small, but future observations (e.g. with the NGST) of the multiplicity functions of radiation sources and of the HI and HeII opacities will strongly constrain scenarios in which reionization is due to QSOs.

研究动机与目标

• 开发一个统一的解析模型，用于描述宇宙演化过程中结构形成、再加热与再电离的全过程。
• 将莱曼-Alpha云、星系和类星体的观测结果与一致的再电离历史相协调。
• 确定解释再电离和紫外背景演化所需类星体的光度函数与源数密度。
• 评估气体凝聚与坍缩结构在塑造再电离过程中的作用。
• 利用类星体源数密度与氦吸收系数数据，对再电离红移进行约束。

提出的方法

• 将类星体纳入宇宙再电离的解析框架中，扩展了以往针对星系和莱曼-Alpha云的模型。
• 采用两种宇宙学模型：临界密度CDM宇宙与 Ω₀ = 0.3、Λ = 0 的开放宇宙。
• 模拟类星体产生的电离辐射场及其从 z ≈ 16 到 z ≈ 2.6 的演化过程。
• 考虑再电离期间电离介质中气体凝聚与坍缩结构的存在。
• 求解紫外背景（J₂₁）与电离分数的演化，并与观测约束进行比较。
• 利用类星体光度函数预测源数密度，并与哈勃深空场数据进行一致性检验。

实验结果

研究问题

• RQ1 紫外背景辐射的红移演化特征如何？其在再电离期间是否达到峰值？
• RQ2 再电离发生在哪个红移？它如何依赖于 Ω₀ 等宇宙学参数？
• RQ3 类星体源数密度与光度函数如何约束再电离历史？
• RQ4 气体凝聚在多大程度上影响再电离的时序与效率？
• RQ5 在 z = 10 时，电离介质中的金属丰度达到何种水平？其与早期类星体活动有何关联？

主要发现

• 在开放宇宙（Ω₀ = 0.3，Λ = 0）中，再电离发生于 z_ri = 6.8；在临界密度宇宙中，再电离发生于 z_ri = 5.6。
• 紫外背景在 z = 2.6 达到峰值 J₂₁ = 0.18，且强烈的电离边缘持续至 z ≤ 1。
• 所推导的类星体光度函数在 z < 4.5 时与观测一致，并在更高红移时满足哈勃深空场的约束条件。
• 为满足再电离与氦吸收系数的观测约束，必须存在一个暗弱类星体群体。
• 在 z = 10 时，电离介质的金属丰度已超过 0.01 Z⊙，表明类星体早期活动已导致显著的金属富集。
• 未来对中性氢（HI）与氦II（HeII）吸收系数及源多重函数的观测，将对类星体驱动的再电离模型构成强约束。