Signals From the Epoch of Cosmological Recombination
描述宇宙重组时代的物理成分非常简单，也非常容易理解。这一事实使我们能够考虑到各种各样的物理过程，仍然发现潜在的可测量的后果的能谱和温度各向异性的宇宙微波背景（CMB）。在这篇文章中，我们提供了一个简短的历史概述与宇宙重组时代及其连接到CMB。此外，我们强调了一些详细的物理学研究在过去几年中的背景下，宇宙学的氢和氦的重组。（abrigded）
2009-08-04 astro-ph.CO
Detecting the cosmological recombination signal from space
CMB的光谱畸变最近受到越来越多的关注。我们的宇宙学一致性模型的一个不可避免的失真信号是由宇宙学复合过程产生的，就在光子最后散射到红移$z\simeq 1100$之前一点。这些宇宙复合线，由氢和氦等离子体发射的，应该仍然是可观察到的微小偏离CMB黑体光谱中的厘米-分米光谱带。在本文中，我们提出了一个预测的可检测性的重组信号与未来的卫星实验。我们认为，认真考虑未来的CMB实验在空间应给予探测光谱失真，特别是，重组线信号。宇宙学复合辐射不仅可以确定标准的宇宙学参数，而且还为我们的宇宙学模型的关键成分之一：宇宙学复合历史提供了直接的观测证实。我们表明，与目前的技术，这样的实验是未来的，但可行的。通过打开这扇通往早期宇宙的新窗口，潜在的回报可能是相当可观的。
2015-03-18 astro-ph.CO
The 21-cm Signal from the Cosmological Epoch of Recombination
中性氢的红移21厘米发射提供了一个独特的工具，在三维空间中映射早期宇宙的结构形成。在这里，我们提供了第一个详细的计算21厘米发射信号期间和之后的氢复合的红移范围为z ~ 500- 1100，对应于观察到的波长为100-230米。21厘米谱线偏离了与宇宙微波背景（CMB）的热平衡，这是由于氢和氦的复合产生了过量的Ly-alpha辐射。由此产生的21厘米信号达到毫开尔文的亮度温度，比以前估计的大几个数量级。与现有的CMB各向异性二维图相比，未来的月球或天基天文台对它的探测可以大大改善宇宙学初始条件的统计约束。
2013-11-28 astro-ph.CO
Precise cosmological parameter estimation using CosmoRec
我们使用新的宇宙重组代码，CosmoRec，参数估计的背景下（未来）精确测量的CMB温度和偏振各向异性。我们解决的问题，如何以前被忽视的物理过程中的重组模型的Recfast影响的关键宇宙学参数的确定，第一次进行模型的重组问题的模型计算。特别是，我们问的偏见如何取决于不同的参数组合，例如，当改变氦丰度或中微子物种的有效数量除了标准的六个参数。我们还预测了复合修正对于Planck、ACTPol和SPTPol组合数据分析的重要性。此外，我们问的重组校正是真正至关重要的CMB参数估计，以及是否基于红移相关的校正函数Recfast的方法是足够的，在这种情况下。
2011-02-17 astro-ph.CO
The Lick AGN Monitoring Project: Reverberation Mapping of Optical Hydrogen and Helium Recombination Lines
我们最近在利克天文台3米沙恩望远镜上完成了一项为期64晚的光谱监测活动，目的是测量附近12个（z < 0.05）塞弗特1星系中黑洞的质量，这些星系的预期质量在~10^6- 10^7 M_sun的范围内，同时也测量了附近经过充分研究的活动星系核（AGN）NGC 5548。样本中的9个物体（包括NGC 5548）在监测活动期间显示出足够强度的光学变化，以允许在连续波动和对宽β发射中这些波动的响应之间测量时间滞后，我们以前已经报道过。我们在这里提出的光变曲线的H α，H γ，HeII 4686，和HeI 5876发射线和时间滞后的发射线响应相对于连续通量的变化。结合每个发射线的时间滞后与光谱的可变部分中的线的测量的宽度，我们确定一个维里质量的中心超大质量黑洞从几个独立的发射线。我们发现，质量一般是一致的不确定性。作为速度的函数的时滞响应的巴耳末线剖面检查六个活动星系核。最后，我们将数据集中的几个趋势与Korista & Goad提出的光电离计算的预测进行了比较。我们证实了他们的几个预测，包括响应度的增加和减少的平均时间滞后的激发和电离水平的物种增加。要进一步证实宽线气体行为的光致电离预测，需要对处于不同光度状态的活动星系核进行额外的监测。[删节]
2010-04-16 astro-ph.CO
Using the cosmological recombination radiation to probe early dark energy and fundamental constant variations
宇宙复合辐射（CRR）是来自早期宇宙的光谱畸变信号之一。来自氢和氦的CRR光子早于最后的散射过程，因此允许探测前复合时代的物理现象。在这里，我们计算由早期的暗能量模型和不同的基本常数所引起的CRR的修改。这些新的物理学例子最近与哈勃张力有关的活动有所增加，激发了这里提出的探索性研究。相关的CRR响应频谱丰富，但信号电平很小。我们预测了未来光谱仪对这些效应的可能灵敏度。我们的估计表明，CRR直接取决于在前重组时代的膨胀历史和重组物理的变化。然而，未来的灵敏度需要光谱仪的限制，与其他宇宙学探测器的竞争。尽管如此，CRR的测量可以直接进入否则无法进入的阶段，突出了这些类型的观测可能作为早期宇宙的探测器的潜力。与${\it Planck}$数据的组合进一步表明，协同方法非常有前途。
2022-09-25 astro-ph.CO
Matter temperature after cosmological recombination
宇宙中原子物质的温度保持在宇宙背景辐射的温度，直到在z~100处去耦。在这之后，它的冷却速度比辐射快（\propto是（1+z）^[2]而不是（1+z）），如果天体物理反馈过程没有加热星系间介质，它今天的冷却速度会降到20 mK左右。我们展示了如何康普顿耦合方程的衍生物有助于数值遵循解耦过程。
2009-04-21 astro-ph.CO
The Hydrodynamic Feedback of Cosmic Reionization on Small-Scale Structures and Its Impact on Photon Consumption during the Epoch of Reionization
星系际介质（IGM）中的密度不均匀性可以大大提高电离气体的复合率，影响再电离过程中HII区的生长。以前的尝试，以量化这种效果通常未能解决到牛仔裤规模的预电离IGM，这是很重要的，在建立这种效果，随着流体动力学反反应的再电离上it.Towards，为此，我们进行了一组完全耦合，辐射流体动力学模拟从宇宙学的初始条件，扩展以前的工作规模的小晕的质量分辨率。再电离前的结构一直演化到红移$z_i$，在此位置，来自外部源的电离辐射到达，在几百万年内以超音速扫过整个体积的R型电离锋，直到它被捕获在微晕的表面上并转换为D型，之后微晕气体被光蒸发风去除。在此期间，小尺度密度结构导致电离气体的高（$>$ 10）聚集因子，这极大地提高了复合速率，直到结构被$\sim 10-100~\rm{Myr}$之后的流体动力学反馈破坏。对于在平均密度差为$\barδ$的$200~h^{-1}~\rm{kpc}$盒中强度为$J_{21}$的入射恒星辐射，每个H原子的额外重组数，在均匀分布气体的预期值之上，由$0.32[J_{21}]^{0.12}[(1+z_i)/11]^{-1.7}[1+\barδ]^{2.5}$给出。在大部分体积在再电离结束时被电离的模型中，这可以将每个H原子的一个以上的复合添加到电离光子预算中以实现再电离。
2016-10-17 astro-ph.CO
The primordial helium abundance and the number of neutrino families
基于对HII区的观测和Porter等人（2013）对He I线复合系数的新计算，我们获得了原始氦的质量丰度为$Y_P = 0.2446\pm0.0029$。我们考虑了$Y_P$测定的13个误差来源，其中一些主要是由于系统效应，而其余的主要是由于统计效应。我们将我们的结果与文献中存在的其他$Y_P$测定结果进行比较。结合我们的$Y_P$值与原始核合成的计算，我们发现了一些中微子物种$N_{eff} = 2.90\pm0.22$，和中子平均寿命$τ_ν = 872\pm14(s)$。
2016-08-06 astro-ph.CO astro-ph.GA
Sensitivity forecasts for the cosmological recombination radiation in the presence of foregrounds
宇宙复合辐射（CRR）是宇宙微波背景（CMB）不可避免的$Λ$ CDM谱畸变之一。虽然它显示了跨dm-mm波长的丰富光谱结构，但它也是目标最小的信号之一。在这里，我们进行了详细的预测，预期的灵敏度水平，不仅需要检测，而且还提取宇宙学信息的CRR中存在的前景。我们使用${\tt CosmoSpec}$来计算CRR，包括所有重要的辐射转移效应和对复合动力学的修改。我们确认，整体CRR信号的检测是可能的光谱仪的概念，如${\it SuperPIXIE}$。然而，为了真正利用宇宙学信息，需要$\simeq 50$倍更灵敏的光谱仪。虽然非常未来，这可以提供对原始氦丰度$Y_p$的独立约束，并探测BBN和复合过程中额外相对论自由度的存在。当考虑将CMB光谱仪与现有CMB数据相结合时，显著改善对其他宇宙学参数的约束需要更高的灵敏度（$\simeq 5$的另一个因素）。在很大程度上，这是由于天体物理前景，有趣的是，它并没有降低对$Y_p$和$N_{\rm eff}$的约束。因此，未来的CMB光谱仪可以开辟一种探测非标准BBN场景，暗辐射和无菌中微子的新方法。此外，使用CRR结合现有的和即将到来的CMB各向异性数据，可以间接探测暴胀物理学。
2020-06-08 astro-ph.CO
Radiative transfer of energetic photons: X-rays and helium ionization in C2-Ray
我们提出了一个扩展的短特征射线追踪和非平衡光子电离程序C2 Ray。新版本包括氦气的效果和改进的多频加热。这项工作的动机是能够处理更硬的电离光谱，例如在宇宙再电离期间来自类星体源的光谱。在描述实施的变化之前，我们回顾了C2-Ray的基本算法成分，其中包括对全现场（OTS）近似，二次电离和多频光电离和加热的处理。我们对来自CLOUDY的平衡解进行了一系列测试，并在Iliev等人（2006）的广泛代码比较中与C2-Ray的仅含氢解进行了比较。我们表明，完整的，耦合OTS近似比简化的，非耦合的更准确。我们发现，也与氦和多频率设置，长的时间步长（高达~10%的复合时间）仍然给出准确的结果的电离分数。另一方面，温度集的精确结果对时间步长有很强的约束。然而，这些约束的细节取决于细胞的光学深度。我们使用新版本的代码，以确认在许多再电离模拟，即氦是单独电离的氢是无处不在的假设，确实是有效的源时，恒星般的光谱。
2012-01-03 astro-ph.CO
The Thermal Sunyaev-Zeldovich Effect of Primordial Recombination Radiation
原初氢氦等离子体的复合辐射导致了宇宙微波背景辐射的普朗克谱形畸变。我们讨论了考虑原始复合辐射（PRR）的热Sunyaev-Zeldovich（SZ）效应。由于在热SZ效应中，光子的重新分布取决于光谱的导数，因此在初始光谱中，由于PRR引起的对SZ效应的相对校正的值显著高于由于PRR引起的相对校正。对PRR引起的热SZ效应的修正计算表明，随团簇参数的不同，在宇宙微波背景辐射（CMB）占主导地位的频率$ν$ = 0.3 - 700 GHz范围内，PRR引起的相对修正具有“纯”SZ效应（即纯普朗克谱的SZ效应）的$10^{-9} - 10^{-6}$量级。来自不同方向（通过团内和近团间介质）的PRR强度差异在$ν\simeq 337$ GHz（在考虑范围内的最大值）达到22 mJy/ster。2)在700 ~ 5000 GHz宇宙红外背景（CIB）显著甚至占主导地位的频率范围内，PRR的相对修正可达到“纯”SZ效应的$ν$- $10^{-5}$。相应的强度差达到高达25 mJ/ster的值（在$ν\simeq 1700$ GHz下）。此外，我们建议修改的方法的电子气温度测定使用的SZ效应由于PRR的校正。这样的修改允许一个简化的集群电子气体温度的测定与已知的方法相比。
2014-02-18 astro-ph.CO
Inhomogeneous recombinations during cosmic reionization
通过耗尽可用于扩展宇宙HII区域的电离光子预算，重组系统（或莱曼极限系统）可以在宇宙再电离期间（和之后）产生巨大影响。不幸的是，在大规模再电离模拟中直接解决这样的结构在计算上是不切实际的。相反，在这里，我们实现了一个子网格处方跟踪星系际介质中的非均匀重组。建立在以前的工作参数化恒星形成的光加热反馈，我们提出了大规模的，半数值再电离模拟，自洽跟踪本地（子网格）的源和汇的电离光子的演变。我们简单的单参数模型自然会产生扩展的再电离和适度、缓慢变化的发射率，与观察结果一致。双折射有助于减缓大HII区域的增长，并抑制再电离后期（和之后）电离背景的快速上升。结果，在整个再电离过程中，典型的HII区域小了$\sim 2-3$倍。在再电离的后半部分，大尺度（$k\lesssim 0.2\text{ Mpc$ ^{-1} $}$）电离功率谱受到$\gtrsim 2-3$因子的抑制。因此，正确的重组建模是重要的，几乎所有的再电离观测，包括即将到来的干涉与红移21厘米线解释。与以前的工作一致，我们发现在再电离结束时电离气体的聚团因子为$C_{\rm HII}\sim 4$。
2014-02-10 astro-ph.CO
Effective conductance method for the primordial recombination spectrum
当原子在原始复合过程中第一次形成时，它们发出束缚-束缚和自由束缚辐射，导致宇宙微波背景的光谱失真。这些扭曲在未来可能会被高灵敏度光谱仪观测到，并为了解早期宇宙的物理条件提供了一个新的窗口。通常用于计算复合光谱的标准多级原子方法在计算上是昂贵的，阻碍了迄今为止对光谱失真中包含的信息的详细定量探索。在这项工作中，它表明，在光学薄允许过渡的发射率可以被分解成一个计算昂贵，但宇宙学独立的部分和一个计算便宜，宇宙学依赖的部分。计算的缓慢部分包括预计算温度相关的有效“电导”，线性相关线或连续强度偏离萨哈平衡的最低阶激发态（2s和2 p），可以被视为“电压”。由于在早期工作中引入了有效的多级原子方法，计算这些偏离平衡的红移函数本身就非常快。通过这种因式分解，在标准笔记本电脑上，复合光谱的单次计算的重复成本仅为几分之一秒，比标准计算短四个数量级以上。氦复合的光谱可以用同样的方法有效地计算，并且用这种方法计算完整原始复合光谱的快速代码将很快公开。
2012-11-16 astro-ph.CO physics.atom-ph
Radiative transfer effects in primordial hydrogen recombination
高精度宇宙复合历史的计算是近年来人们特别关注的问题，因为它是预测宇宙微波背景各向异性角功率谱的主要理论不确定性因素。莱曼跃迁，特别是莱曼-α线，由于其非常低的逃逸概率，长期以来一直被认为是复合的瓶颈之一。Sobolev近似不能以足够的精度描述莱曼线附近的辐射转移，并且在其他工作中已经计算了几个校正。本文计算了一些以前忽略的辐射转移效应的影响。首先，汤姆逊散射在莱曼α线附近的效果进行评估，使用一个完整的再分配内核纳入辐射转移代码。本文用解析近似法研究了氢线蓝向的光学厚氘莱曼α线产生畸变的反馈效应。结果表明，在宇宙学氢复合过程中，这两种效应都可以忽略不计。其次，高的重要性，非重叠莱曼过渡进行了评估。它示出，从以上的Ly-gamma和Ly-beta和更高的线的频率扩散线逃逸可以忽略不计的准确性损失。第三，一种形式主义概括的Sobolev近似的开发占的重叠的高躺莱曼线，这是导致可以忽略不计的变化的重组历史。最后，探讨了宇宙学氢复合脉泽的可能性。结果表明，在这里提出的纯辐射处理中不存在这样的脉塞。
2010-09-23 astro-ph.CO
On the detection of spectral ripples from the Recombination Epoch
在氢（$500 \lesssim z \lesssim 1600$）和氦复合（$1600 \lesssim z \lesssim 3500$为HeII $\rightarrow$ HeI，$5000 \lesssim z \lesssim 8000$为HeIII $\rightarrow$ HeII）时期发射的光子被预测为宇宙微波背景的宽而弱的光谱畸变。我们提出了一个可行性研究的地面实验检测这些复合线，这将提供一个观测约束宇宙的热电离历史，独特的探测天体物理宇宙学超越了最后的散射表面。我们发现，在2- 6 GHz窗口的倍频程频带是最佳的这样的实验，最大限度地提高信噪比，并包括足够的线频谱结构。在这些频率下，预测信号表现为振幅约为$8$ nK的附加准正弦分量，其嵌入在天空光谱中，亮度约为9个数量级。我们讨论了一种算法来检测这些微小的光谱波动的天空光谱前景建模。我们引入了一个\textit{Maximally Smooth}函数，能够描述前景光谱和区分感兴趣的信号。与贝叶斯统计测试和模拟数据，我们估计，预测的失真检测是可能的，90%的置信度，通过观察255天的128个辐射计阵列，使用低温冷却的最先进的接收器。我们的结论是，检测在现实的观测时间原则上是可行的，我们建议APSERa-阵列的精密光谱仪的时代的净化-一个专用的射电望远镜来检测这些重组线。
2015-01-28 astro-ph.CO astro-ph.IM
Detecting cosmological recombination lines with a non-ideal antenna -- a first step to practical realization
针对宇宙复合辐射（CRR）谱线比CMB弱9个数量级且未被探测的问题，本研究首次用非理想天线波束色偏模型模拟探测，证明色偏天线可探测CRR，还揭示天线非理想性容忍度的影响因素，为APSERa实验设计提供参考。
2024-11-28 astro-ph.CO astro-ph.IM
Patchy Helium and Hydrogen Reionization from the Kinetic Sunyaev-Zel'dovich Effect and Galaxies
本研究拓展kSZ高阶统计量并提出其与星系巡天的新型交叉关联方法，经联合信息矩阵分析表明，下一代CMB和星系巡天可表征氢再电离的斑块形态并约束氦再电离的红移演化。
2025-06-12 astro-ph.CO astro-ph.GA
BBN with light dark matter
本文考虑了轻毫荷电暗物质粒子对原初核合成的影响。结果表明，如果这些粒子的质量比电子质量小得多，它们会导致氦-4的强烈过剩产生。轻子不对称性的非零性可以达到与观测的一致。与标准宇宙学模型相比，BBN的重子与光子比以及BBN和复合时的中微子与光子比都有明显的不同。后者的比率和可能的轻子不对称性可以由普朗克检验。对于更高质量的新粒子，这种效应就不那么明显了，甚至可能有相反的符号。
2013-01-14 astro-ph.CO hep-ph
Semi-analytic forecasts for JWST -- V. AGN luminosity functions and helium reionization at z = 2-7
早期宇宙中形成的活动星系核（AGN）被认为是导致星系际氦再电离的硬电离光子的主要来源。然而，高红移活动星系核的数密度和光谱性质在很大程度上仍然不受约束。在这项工作中，我们利用各种各样的可用的观测校准的物理信息模型，以提供在整个再电离时代的AGN的作用的估计。我们提出了活动星系核的光度函数在各种波段之间的z = 2至7预测的成熟的圣克鲁斯半解析模型，其中包括建模的黑洞吸积和活动星系核的反馈。然后，我们结合预测的活动星系核人口的电离光子产生率，这取决于吸积超大质量黑洞的质量和吸积率的自洽估计的物理谱模型。然后，我们耦合预测的共动电离发射率与分析模型计算星系际氦和氢随后的再电离历史。这项工作表明，耦合物理动机的分析或半分析技术，以捕捉多尺度的物理过程，在广阔的尺度范围内（在这里，从活动星系核吸积盘的宇宙尺度）的潜力。我们的物理模型预测的内在电离光子预算远高于许多文献中的估计，这意味着氦再电离可以轻松地完成，即使具有相对较低的逃逸分数。我们还预测活动星系核的人口，预计将在未来的\emph{James Webb Space Telescope}调查。
2021-09-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
