利用来自宇宙再电离时代的红移21厘米谱线探寻宇宙第一代发光体的足迹

The epoch of reionization is a period in the history of the Universe during which the intergalactic hydrogen gas went from neutral to ionized. This event was powered by the emergence of the first luminous objects when the Universe was a few hundred million years to a billion years old. The three-dimensional mapping of neutral hydrogen from the cosmic dawn through the redshifted 21cm line will be one of the most important science goals of the Square Kilometre Array (SKA) in which China actively participates. In this proposal, we will employ a three-dimensional radiative transfer code, F2-Ray, to perform a number of large-scale reionization simulations, and investigate theoretically the possibility of using 21cm observations to probe the physical properties of the first luminous objects. The proposed work includes two aspects: (1) under different assumptions of the first luminous objects, such as the type, number density, radiation spectrum, etc., we run a series of numerical simulations of reionization, and form the 21cm mock images; (2) we use the mock data to compute the observable quantities of the 21cm line, as well as the cross-correlations of the 21cm data and other atomic and molecular emission lines, and search for the signature of different first luminous objects on those different observables. The work in this proposal will provide a solid science goal and observational guide to the SKA low- and middle-frequency observations.

宇宙再电离时代是宇宙演化历史中星系际氢原子从中性态到电离态的一个过程，由宇宙在几亿到十几亿的年龄时出现的第一代发光天体所驱动。通过红移21厘米谱线对处在宇宙第一缕曙光时期的中性氢分布做三维分层成像是中国积极参与的平方公里阵列（SKA）望远镜最重要的科学目标之一。本项目拟利用一套自主开发的三维辐射转移软件F2-Ray模拟宇宙再电离时代的全过程，在理论上探索如何利用红移21厘米谱线来探测宇宙第一代发光体的物理性质。本项目主要包括两个阶段的工作：（1）对第一代发光体的性质（包括种类、数密度、能谱等）做多种不同假设，分别进行宇宙再电离时代的数值模拟，合成21厘米模拟成像；（2）计算21厘米谱线的多种可观测量，及利用21厘米谱线与其他发射线巡天进行互相关的办法，探索不同种类不同性质的电离源在不同的观测量上留下不同的显著观测特征。本项目的工作将会对SKA望远镜的中、低频观测提供科学目标和观测指导。

宇宙再电离时代是宇宙演化历史中星系际氢原子从中性态到电离态的一个过程，由宇宙在几亿到十几亿的年龄时出现的第一代发光天体所驱动。通过红移21厘米谱线对处在宇宙第一缕曙光时期的中性氢分布做三维分层成像是中国积极参与的平方公里阵列（SKA）望远镜最重要的科学目标之一。本项目通过数值和半数值宇宙再电离模拟对21厘米宇宙学进行了多方面的探索研究。主要研究内容如下：（1）对非均匀的簇聚因子在宇宙再电离时代的数值模拟中的影响进行了深入研究，提出了在数值模拟中引入这一因素的方案，研究了非均匀簇聚因子对21厘米观测量的影响；（2）首次研究21厘米三点关联函数，探索宇宙再电离在这一观测量上的特征；（3）探索了低红移中性氢偏袒参数从线性到非线性的转变尺度；（4）首次提出莱曼alpha森林功率谱是宇宙再电离的新探针；（5）首次提出21厘米与CO线的反对称功率谱是宇宙再电离的新的探针。本项目的工作将会对SKA望远镜的中、低频观测提供科学目标和观测指导。

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