IslandFAST: A Semi-numerical Tool for Simulating the Late Epoch of Reionization
我们介绍了我们的半数值模拟，islandFAST，这是从21厘米FAST和再电离后期设计的算法和主要结果。islandFAST预测了大尺度欠致密中性区（中性岛）的演化和尺寸分布，我们发现再电离后期（EoR）进行得非常快，在每个红移处显示出中性岛的特征尺度。使用islandFAST，我们比较了两种类型的吸收系统的影响，即大规模的低密度中性岛与小规模的过密度吸收体，在调节再电离过程。中性岛控制电离场的形态，而小尺度吸收体控制电离光子的平均自由程，也延迟和延长再电离过程。我们的半数值模拟，电离背景的演变可以自洽地推导出一个模型的小吸收体。在致密吸收体的存在下，电离背景的氢电离率降低了一个数量级。
2016-12-17 astro-ph.CO
Primordial non-Gaussianity from the 21 cm Power Spectrum during the Epoch of Reionization
原初非高斯性是暴胀宇宙学的一个关键检验。我们认为，在再电离的时代，从21厘米发射的电离功率谱的非高斯性的影响。我们专注于大尺度上的功率谱在7到8的红移，并探讨当前和下一代21厘米实验的局部非高斯参数f_NL的预期约束。我们表明，如SKA和MWA实验可以测量10阶的f_NL值。这可以通过一个数量级的快速傅里叶变换望远镜，如Omniscope。
2011-09-04 astro-ph.CO
Infra-red emission line tomography of the intergalactic medium during the Epoch of Reionization
第一个主要的恒星形成星系和活动星系核将产生巴耳末和高阶扩展晕在再电离时代通过散射莱曼共振线光子周围的中性星系际气体。散射率的光学深度依赖性将产生对气体密度和速度波动都敏感的信号，从而提供探测年轻恒星形成星系周围的电离区和流场的可能性。讨论了使用天基望远镜探测红外线晕的要求，并评估了使用詹姆斯·韦伯太空望远镜上的可调滤波成像仪探测晕的可能性。
2012-01-26 astro-ph.CO
Exploring the cosmic dawn and epoch of reionization with 21cm line
宇宙的黑暗时代，当没有发光物体存在时，随着第一批恒星、星系和黑洞的诞生而结束。这个时代被称为宇宙黎明。宇宙再电离是宇宙中星系际介质在发光天体发射的电离光子驱动下发生的主要跃迁。虽然从黑暗时代到再电离的时期是宇宙中的一个里程碑，但我们对这一时期的认识还不够。由中性氢发射的宇宙21厘米信号有望为这一时期打开一扇新的窗口。在这篇综述文章中，我们首先介绍了21厘米线的基本物理和第一颗恒星如何影响21厘米线信号。接下来，我们简要总结了如何通过统计和机器学习方法从21 cm线信号中提取天体物理信息。我们还讨论了21厘米线信号和其他发射线之间的协同作用。最后，我们总结了21厘米实验的现状。
2023-03-20 astro-ph.CO
HI tomographic imaging of the Cosmic Dawn and Epoch of Reionization with SKA
我们提供了一个概述的21厘米断层扫描的宇宙黎明和时代的再电离尽可能与SKA-Low。我们展示了为什么断层扫描是必不可少的研究CD/EoR和目前的规模，可以在不同的频率为SKA-低的不同阶段成像。接下来，我们将讨论分析层析成像数据的不同方法。最后，我们概述了只能通过断层扫描来回答的科学问题，从单个物体的特征到理解CD/EoR期间塑造宇宙的全球过程
2015-01-17 astro-ph.CO
A lower limit of dz > 0.06 for the duration of the reionization epoch
对早期宇宙中氢原子21厘米谱线的观测直接探测了星系间气体再电离的历史。然而，观测是具有挑战性的，因为预期的信号强度较低（~10 mK），并且受到银河系和河外连续谱源中强（>100 K）前景同步辐射的污染。如果再电离发生得很快，那么在全天光谱中，在平滑的前景上应该有一个特征性的可见信号。在这里，我们报告了一个在100和200 MHz之间的全天空光谱，对应于21厘米线的红移范围6 < z < 13。数据排除了在95%置信水平下dz < 0.06的快速再电离时间尺度。
2012-09-05 astro-ph.CO
The Epoch of Reionization
宇宙的黑暗时代随着第一代星系的形成而结束。这些物体开始发射紫外线辐射，在它们周围形成电离区域。在足够数量的电离源形成后，宇宙中气体的电离部分迅速增加，直到氢完全电离。在这段时间里，宇宙气体从中性到电离，被称为宇宙的再电离时代。再电离时代与宇宙学中的许多基本问题有关，例如第一个星系的性质，（迷你）类星体的物理学，非常贫金属恒星的形成以及天体物理学中的一系列其他重要研究课题。因此，揭示它将对早期宇宙结构形成的研究产生深远的影响。这一章回顾了当前关于再电离期存在的观测证据，它的关键理论方面和主要特征，最后是各种有望揭示它的观测探测器，特别强调了红移21厘米探测器，目前正在建造或设计的各种实验，以及我们可以从它们那里了解到关于再电离期的信息。
2012-06-01 astro-ph.CO
Modelling the 21 cm Signal From the Epoch of Reionization and Cosmic Dawn
通过红移21厘米谱线研究宇宙黎明和再电离时期是SKA1的主要科学目标之一。它们的重要性在于它们与宇宙中最早的恒星密切相关。解释即将出现的数据需要对相关的物理过程进行详细的建模。在这篇文章中，我们专注于再电离的理论模型，这些模型是由在印度工作的各个小组根据即将到来的SKA制定的。这些模型包括纯分析和半数值计算以及完全数值辐射转移模拟。从这些模型的21厘米信号的预测将是有用的，在约束使用SKA数据的早期星系的属性。
2016-10-26 astro-ph.CO
Dipole of the Epoch of Reionization 21-cm signal
太阳系相对于宇宙静止坐标系的运动将再电离时期21厘米信号的振幅调制成偶极子。该偶极子具有特征频率依赖性，该特征频率依赖性由偶极子信号的频率导数支配。我们认为，虽然信号是由$\sim100$的一个因素较弱，在测量偶极子有显着的好处。最重要的是，宇宙速度矢量的方向可以从宇宙微波背景中精确地得知，并且与调制前景微波背景的星系速度矢量不一致。此外，一个旨在测量偶极子的实验可以依赖于天空的差分补丁，而不是进行绝对信号测量，这有助于产生一些系统效应。
2017-03-26 astro-ph.CO
Observing the Epoch of Reionization with the Cosmic Microwave Background
我们回顾了可观测到的后果的时代的再电离（EoR）的宇宙微波背景（CMB），和由此产生的约束EoR。我们讨论如何汤姆逊散射EoR过程中产生的自由电子等同于CMB光子的光学深度。WMAP和普朗克卫星利用大尺度CMB偏振功率谱进行的光学深度测量是目前对宇宙再电离时间的少数限制之一。我们还提出了预测的精度，光学深度将测量未来的卫星任务。其次，我们考虑运动学的Sunyaev-Zel'dovich（kSZ）效应，以及kSZ功率谱如何依赖于再电离的持续时间。我们回顾目前的测量kSZ功率和预测未来的实验。最后，我们提到的建议，寻找在CMB的光谱失真，在EoR的电子温度相关，和想法映射的变化，在整个天空的光学深度。
2015-11-03 astro-ph.CO
On the spin-temperature evolution during the epoch of reionization
模拟估计从再电离时期（EoR）的红移21厘米的差分亮度温度往往假设自旋温度是去耦的背景CMB温度，并远远大于它。虽然一个有效的假设对再电离过程的后期阶段，它不一定在早期的时代举行。违反这一假设将导致差异亮度温度的波动，既不是由密度波动，也不是由HII区域驱动。因此，通过处理自旋温度与动力学温度的莱曼-α耦合和碰撞耦合，自洽地计算自旋温度是至关重要的。在本文中，我们开发了一个扩展的BEARS算法，最初开发的模型再电离的历史，包括这些耦合效应。在这里，我们模拟了三种模型中的电离和加热的效果，其中再电离是由恒星，miniqsos或两者的混合物驱动的。我们还进行了一些统计测试，以量化的自洽包含的自旋温度从CMB去耦的印记。我们发现自旋温度的演化对测量信号有影响，特别是在红移大于10的情况下，当人们试图解释观测数据时，应该考虑这种演化。
2010-09-30 astro-ph.CO
Self-shielding of hydrogen in the IGM during the epoch of reionization
我们研究星系际氢对电离辐射的自屏蔽辐射转移模拟宇宙再电离仔细校准莱曼α森林数据。虽然自屏蔽区域在后再电离宇宙中表现为莱曼极限系统，但在这里，我们专注于它们在再电离过程中的演化（红移z=6-10）。在这些红移下，氢电离辐射的空间分布是高度不均匀的，宇宙的某些区域仍然是中性的。在模拟中屏蔽了中性区和电离源后，我们发现氢的光电离率与局部氢密度的关系与再电离后宇宙中的情况非常相似。在这些红移中，自屏蔽变得重要的物理氢密度约为平均氢密度的$\mathrm{n_H \sim 3 \times 10^{-3} cm^{-3}}$或$\sim$的20倍，反映了这样一个事实，即在再电离过程中，光电离率通常足够低，以至于宇宙网中的细丝经常是自屏蔽的。典型的自屏蔽密度的值在红移z=3和10之间减小了3倍，并且以简单的方式遵循电离区域中的平均光电离率的演变。我们提供了一个简单的参数化的光电离率作为密度的函数在自屏蔽区域的再电离时代。
2018-05-09 astro-ph.CO
Lyman Alpha Emitters and the 21cm Power Spectrum as Probes of Density-Ionization Correlation in the Epoch of Reionization
由于Ly $α$光子与氢的大截面，莱曼α发射体（LAEs）在再电离时期（EoR）对星系际介质（IGM）中中性氢的存在很敏感：在宇宙历史中，IGM中的中性氢被电离。在IGM相对于底层的内在LAEs的电离区域的相关性有显着的效果上观察到的LAEs的数量和它们的明显聚类。因此，在EoR期间LAE的观测可以用作EoR形态的探针。在这里，我们建立在以前的作品，我们参数化的密度电离相关性在EoR，并研究如何观察到的数密度和角关联函数（ACF）的LAEs依赖于此参数化。使用斯巴鲁测量的数密度的LAE和他们的ACF在z = 6.6，我们把限制的EoR形态。我们发现，在z = 6.6单独LAEs的测量不能区分不同的密度电离模型在$68\%$的可信度。然而，添加信息的数量密度，和ACF，LAE在$z = 6.6$到21厘米功率谱测量使用氢时代的再电离阵列（HERA）在再电离的中点可以排除不相关和外向内再电离在$99\%$的可信度。
2021-05-07 astro-ph.CO
Will Nonlinear Peculiar Velocity and Inhomogeneous Reionization Spoil 21cm Cosmology from the Epoch of Reionization?
来自再电离时期的21厘米背景是一个很有前途的宇宙学探测器：视线速度起伏扭曲红移，因此傅立叶空间中的亮度起伏取决于角度，线性理论表明可以将宇宙学信息与天体物理信息分开。然而，电离、密度和速度的非线性波动改变了这一点。分离方案的有效性和准确性进行了测试，在这里的第一次，详细的再电离模拟。该方案在再电离早期（< 40%电离）工作得相当好，但在再电离晚期（> 80%电离）则不好。
2013-03-01 astro-ph.CO astro-ph.IM
The mean free path of hydrogen ionizing photons during the epoch of reionization
我们利用极光辐射流体动力学模拟研究了氢电离光子在再电离阶段的平均自由程。我们直接测量MFP的平均距离1 Ry光子旅行之前达到一个光学深度的单位沿随机视线。在再电离过程中，自由程的终点往往是密度接近宇宙平均值的中性气体，而在再电离后，终点往往是过密的，但高度电离的。尽管离散的过密系统的重要性日益增加，但具有$N_{\rm{HI}} \lesssim 10^{16.5}~{\rm cm^{-2}}$的系统的累积贡献足以在$z \approx 6$下驱动MFP，而在更早的时间，更高的柱密度更重要。在再电离之后，HI系统的典型尺寸接近于局部Jeans长度，但是在再电离期间它要大得多。起源于星系附近的光子的平均自由程$\rm{MFP_{gal}}$比宇宙MFP小得多。再电离后，这种增强可以保持显着的开始距离的$\sim 1$共同移动Mpc。然而，在再电离过程中，距离$\sim 10^2 - 10^3$共动kpc的$\rm{MFP_{gal}}$通常超过宇宙MFP。这些发现有重要的后果模型解释星系间MFP逃逸电离光子的距离可以从星系被吸收之前，并可能导致他们低估所需的逃逸分数从星系，和/或所需的发射率电离光子后再电离。
2017-08-14 astro-ph.CO
Detectability of 21-cm Power Spectra from the Epoch of Reionization using Modern Radio Telescopes
K. N. Toosi University of Technology（K.N.托伊西理工大学）；University of Massachusetts Dartmouth（马萨诸塞大学达特茅斯分校）
本研究利用HERA、MWA、GMRT、LOFAR四个射电天文台，结合21SSD模拟的45个模型，探究再电离时期21厘米功率谱的探测灵敏度，以约束该时期的天体物理模型。
2026-10-14 astro-ph.CO
Studying neutral hydrogen structures during the epoch of reionization using fractal dimensions
分形维数可以用来表征密度分布中的聚集性和空隙性。本文用广义分形维数研究了再电离阶段中性氢的分布。利用电离气泡的半数值模型来产生HI场，我们计算了长度尺度$\sim 10 h^{-1}$ cMpc的分形维数。我们发现，HI场显示出显着的多重分形行为，是不一致的，在这些尺度上的均匀性时，质量平均中性分数$\bar{x}_{\rm HI}^M \gtrsim 0.5$。这种多重分形性质完全是由电离区域的形状和分布驱动的。分形维数对中性分数的敏感性意味着它可以用来约束再电离历史。我们发现，当电离晕的最小质量在$\sim 10^9 - 10^{10} h^{-1} M_{\odot}$范围内时，分形维数对电离晕的最小质量值的敏感性相对较低。有趣的是，分形维数是非常不同的，当再电离进行由内而外相比，当它是由外向内。因此，高红移HI密度场的多重分形性质可以用来研究再电离的性质。
2016-12-20 astro-ph.CO
Skew spectrum and smoothed skewness of 21-cm signals from epoch of reionization
本文利用半数值模拟研究了再电离时期21厘米信号的偏斜谱和平滑偏斜度，发现其演化特征与双谱相似且对模型敏感，并以SKA1-low为参考证实其信噪比显著高于双谱。
2023-05-11 astro-ph.CO
The Detectability of Lyman Alpha Emission from Galaxies during the Epoch of Reionization
我们研究了Lyman Alpha（Lya）发射线在再电离时期（EoR）的可见性。结合银河系外流模型与大规模的再电离半数值模拟，我们量化的概率分布函数（PDF）的分数Lya光子通过星系际介质（IGM），T_IGM传输。我们的研究重点是星系填充暗物质晕质量的M_halo=1e10 M_sun在z=8.6，这是受到最近报道的星系在z=8.6与强大的Lya线发射发现。对于合理的模型假设，我们发现风导致T_IGM>10% [50%]，对于大多数星系，即使宇宙体积约为80% [60%]中性。因此，从报道的z=8.6星系中观察到的强Lya发射与高度中性的IGM一致。我们还调查了最近的初步证据的影响，观察到的“LAE分数”之间的辍学星系z=6和z=7之间的减少。如果得到证实，我们表明，在x_HI的快速演变将需要通过再电离的影响来解释这一观察。
2011-11-30 astro-ph.CO
The He II Post-Reionization Epoch: HST/COS Observations of the Quasar HS1700+6416
单电离氦（He II）的再电离期被认为开始于红移z~3.5- 4，并在z~2.7时几乎完成。利用哈勃太空望远镜上的宇宙起源光谱仪（COS）拍摄的明亮高红移类星体HS 1700 +6416的远紫外光谱，研究了其再电离后的时间演化。我们讨论这些数据，因为他们探测后再电离历史的He II和当地的电离环境周围的类星体和横向的视线。我们比较以前的光谱远紫外光谱探测器的当前COS数据，其中有一个显着更高的信噪比。Gunn-Peterson槽在较低的红移处恢复，有效光学厚度从z~2.7处的τ_eff~1.8下降到z~2.3处的τ_eff~0.7。我们在He II Lyα破裂附近看到了一个有趣的过量通量，这可能是类星体的线发射，尽管可能不是He II Lyα。我们提出了四个可能的横向邻近类星体的光谱，虽然紫外硬度数据是不够的质量说，如果他们的影响被视为沿HS 1700视线。
2012-12-06 astro-ph.CO
Reliable Parameter Inference for the Epoch of Reionization using Balanced Neural Ratio Estimation
本文应用平衡神经比率估计（BNRE）改进再电离纪元参数推断，通过Lyα森林自相关函数双参数模型证明其后验分布校准显著优于高斯似然假设，为天体物理建模提供统计稳健的参数约束。
2025-11-11 astro-ph.CO
Subtraction of Bright Point Sources from Synthesis Images of the Epoch of Reionization
与河外活动星系核和射电星系相关的亮点源是低频射电实验的重要前景，这些实验旨在探测再电离时期中性氢的红移21厘米发射。合成波束的频率依赖性意味着这些源的旁瓣将作为观察频率的函数在视场上移动，因此使视线前景减法技术受挫。我们描述了一种方法，用于减去这些点源从脏地图所产生的仪器，如MWA。该技术结合了匹配滤波器与迭代质心方案，在漫射背景下定位和表征点源。模拟结果表明，该技术可使EOR图的动态范围提高2-3个数量级。
2010-07-14 astro-ph.CO
Enhancing the detectability of ionized Regions during the Epoch of Reionization
Indian Institute of Science Education and Research Kolkata（印度科学教育与研究学院加尔各答分校）；Jadavpur University（贾达普大学）
本文提出改进的匹配滤波方法，用于检测再电离时期的大离子化区域，并通过SKA-low观测实现高灵敏度检测。
2026-01-22 astro-ph.CO
A simulation calibrated limit on the HI power spectrum from the GMRT Epoch of Reionization experiment
GMRT再电离时期（EoR）实验是一项正在进行的测量中性氢在高红移下的功率谱的努力。我们以前曾用基本的分段线性前景减法在波数k=0.65 h/Mpc时报告过上限为（70 mK）^2。在本文中，我们探讨了使用奇异值分解，以消除前景与较少的假设前景结构。使用这种方法，我们还首次量化了由于前景滤波器而造成的信号损失，并提出了针对这种损失进行调整的新功率谱，提供了在k=0.50 h/Mpc时2 σ上限为（248 mK）^2的修正测量值。虽然这一修订后的限制比以前报道的要大，但我们认为它更稳健，仍然代表了z=8.6时再电离的最佳电流约束。
2013-05-13 astro-ph.CO
Opening Reionization: Quantitative Morphology of the Epoch of Reionization and Its Connection to the Cosmic Density Field
我们介绍了一个通用的和空间分辨的二进制字段的形态特征，植根于数学形态学的开放变换。随后，我们将其应用到阈值电离场的模拟宇宙再电离和研究电离区的形态。我们发现，一个电离体积元素通常驻留在一个电离区域半径$\sim8\,h^{-1}\mathrm{cMpc}$在中点的再电离（$z\approx7.5$），并遵循气泡的尺寸分布，甚至超出重叠阶段。我们发现，渗透的完全电离的组件集时，25%的宇宙是电离的，由此产生的无限集群包含所有电离区域以上$\sim8\,h^{-1}\mathrm{cMpc}$。我们还量化了不同半径的电离区域相对于物质的聚类，并在小尺度上检测重叠阶段中超级气泡的形成。在大尺度上，我们量化了不同大小的电离和中性区域中心的偏置值，不仅表明在再电离的高点最大的可以达到$b\approx 30$，而且早期的小电离区域与物质正相关，大的中性区域和晚期的小电离区域与物质严重反偏置，下降到$b\lesssim-20$。
2020-09-07 astro-ph.CO
What Next-Generation 21 cm Power Spectrum Measurements Can Teach Us About the Epoch of Reionization
目前正在进行一些实验，以测量再电离时期的21厘米信号。无论这些实验是否能探测到宇宙辐射，它们有限的灵敏度都将阻止它们提供有关再电离天体物理学的详细信息。在这项工作中，我们考虑什么类型的测量将使下一代更大的21厘米EoR望远镜。为了计算这种阵列可能的约束类型，我们使用简单的模型的仪器，前景发射，和再电离的历史。我们主要集中在一个仪器建模后的$\sim 0.1~\rm{km}^2$收集区氢时代的再电离阵列（HERA）的概念设计，并参数化的不确定性，前景排放考虑不同的限制，最近描述的“楔形”足迹在k空间。再电离的历史中的unevenness占使用一系列的模拟，不同的电离效率和负责再电离的星系的最低维里温度，以及电离光子通过IGM的平均自由程。鉴于各种组合的模型，我们认为可能的功率谱检测的意义，跟踪功率谱的演变与红移的能力，显着的功率谱特征的可检测性，以及对天体物理参数的定量约束的可实现水平。最终，我们发现，收集区域的$0.1~\rm{km}^2$足以确保即使在最悲观的情况下，再电离功率谱的非常高的显著性（$\gtrsim30σ$）检测。这种灵敏度应允许有意义的约束的再电离的历史和天体物理参数，特别是如果前景减法技术可以改进和成功实施。
2014-09-16 astro-ph.CO
Cosmic Reionization On Computers: Baryonic Effects on Halo Concentrations During the Epoch of Reionization
重子既通过绝热收缩增加晕的浓度，又通过反馈过程排出质量。然而，在再电离时期普遍存在的辐射场如何影响暗物质晕中浓度的演化还不是很清楚。我们研究重子物理在再电离时代如何修改计算机宇宙再电离（CROC）模拟中的暗物质晕结构。我们使用两种不同的措施晕浓度量化的影响。我们比较浓度的晕之间匹配的全物理模拟和暗物质只有模拟$5 \leq z \leq 9$之间具有相同的初始条件。全物理模拟中的重子确实会将物质拉向中心，与仅暗物质模拟相比，增加了最大圆周速度。然而，它们的总体影响要比所有重子简单地集中在中心的情况小得多，这表明加热过程有效地抵消了冷却效应。最后，我们表明，在$z\approx5$晕浓度的重子效应是相对不敏感的再电离历史的环境变化。这些结果是有关模型的星系晕连接在再电离的时代。
2022-09-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
Ly$α$ forest power spectrum as an emerging window into the epoch of reionization and cosmic dawn
传统观点认为，再电离（EOR）时代的热遗迹将迅速消失。然而，最近的研究表明，由于平均密度的气体被不均匀的再电离和冲击加热到$T \sim 3 \times 10^4$ K，这些遗迹可以存活到比以前认为的更低的红移（$z \sim 2$）。鉴于即将到来的Ly $α$森林调查的高灵敏度，这种效应将是宇宙学应用的一种新的宽带系统。然而，从天体物理学的角度来看，非均匀再电离的印记可以揭示EOR和宇宙黎明。我们利用一种混合方法-其中包括两个不同的模拟代码能够处理的巨大的动态范围-显示补丁再电离对Ly $α$森林的影响，其依赖于不同的天体物理场景。我们发现，$k = 0.14$ cMpc $^{-1}$的1D Ly $α$功率谱存在统计学显著偏差，范围从$z = 2$的$\sim 1\%$到$z = 4$的几乎$\sim 20\%$。在相同波数下，三维Ly $α$功率谱的偏差很大，范围从$z = 2$的百分之几到$z = 4$的$\sim 50\%$，尽管这些偏差忽略了He II再电离和$z<4$活动星系核反馈的影响。通过利用不同的$k$功率谱依赖不同的天体物理方案，斑块再电离对Ly $α$森林功率谱的影响，可以打开一个新的窗口，宇宙再电离和可能的宇宙黎明。
2020-09-25 astro-ph.CO
Foreground removal for Square Kilometre Array observations of the Epoch of Reionization with the Correlated Component Analysis
我们应用相关成分分析（CCA）的平方公里阵列的模拟数据的方法，准确地清除扩散前景污染的21厘米再电离信号的目的。CCA已经被开发用于宇宙微波背景，但是将该方法的傅立叶域实现应用于再电离信号是直接的。CCA是一种参数化方法，通过使用二阶统计量从数据中估计前景的频率行为。我们测试其性能的前景模拟越来越复杂，旨在挑战所采用的参数模型。我们还放弃了大多数方法所依赖的谱平滑性假设。我们能够有效地清除所有前景模拟的探索频率范围（100-200 MHz）内的模拟数据。这表明，CCA方法是非常有前途的EoR组分分离。
2014-12-05 astro-ph.CO
Characterizing the Epoch of Reionization with the small-scale CMB: constraints on the optical depth and physical parameters
斑片状再电离在小尺度宇宙微波背景（CMB）温度波动上留下了许多印记，其中最大的是运动学Sunyaev-Zel'dovich（kSZ），CMB光子在电离气泡中散射运动电子的多普勒频移。人们早就知道，在CMB功率谱中，这种再电离的印记在很大程度上与晚期星系和星系团产生的kSZ信号退化，从而限制了我们约束再电离的能力。在Smith & Ferraro（2017）之后，通过观察小尺度CMB功率谱的大尺度调制，可以以独立于模型的方式隔离再电离贡献。在本文中，我们扩展的形式主义使用的小尺度功率谱（而不仅仅是其宽带平均）的完整形状信息，并认为这是必要的，以打破光学深度$τ$和参数设置的再电离的持续时间之间的简并性。特别是，我们表明，下一代的CMB实验可以实现光学深度$τ$的3倍的改善，并在同一时间，限制再电离的持续时间为$\sim$ 25%。这有助于加强对中微子质量的限制，这将受到我们对$τ$的知识的限制，并揭示了负责再电离的物理过程。
2018-03-19 astro-ph.CO
The redshifted HI 21 cm signal from the post-reionization epoch: Cross-correlations with other cosmological probes
利用红移21 cm观测数据对HI进行层析成像，为我们理解宇宙学背景演化和结构形成打开了一扇新的窗口。这是包括平方公里阵列（SKA）在内的几个即将到来的射电望远镜的关键科学目标。在这篇文章中，我们专注于再电离后的信号，并研究了21厘米信号与其他示踪剂的大尺度结构的互相关。我们认为，交叉相关的后再电离21厘米信号与莱曼α森林，莱曼破裂星系和晚时间各向异性的CMBR地图，如弱透镜和集成的萨克斯沃尔夫效应。我们研究了探测信号的可行性，并探讨了使用它获得宇宙学模型约束的可能性。
2016-10-26 astro-ph.CO
Modeling the Intergalactic Medium during the Epoch of Reionization
观测和理论宇宙学的一个主要目标是观察我们宇宙历史上第一个星系形成的基本上未被探索的时间段，并解释这些测量结果。早期的星系在再电离时期（EoR）通过光电离气体对周围星系际介质（IGM）中的气体产生了巨大的影响。这个时期可能跨越了宇宙时间的一段延长：电离区域在早期星系周围形成并增长，逐渐填充了宇宙体积的越来越大的部分。在某个时候--到目前为止还不确定，但在大爆炸后的第一个十亿年左右--基本上整个宇宙体积都充满了电离气体。IGM的性质提供了关于早期星系群的形成时间和性质的有价值的信息，因此许多研究第一个发光源的方法都是基于对周围星系际气体的测量。在未来十年内，改进IGM和早期星系群再电离时代观测的前景是突出的。基于此，我们回顾了再电离过程中IGM模型的现状。我们专注于几个关键方面的再电离时代的现象和描述：体积平均电离分数的红移演化，电离光子的源和汇的属性，以及模型描述的空间变化的电离分数，紫外辐射场，IGM的温度，和气体密度分布。
2015-11-04 astro-ph.CO
Is there another coincidence problem at the reionization epoch?
复合时物质密度与辐射能量密度之间以及物质密度与宇宙学常数之间的宇宙学符合是众所周知的。此外，我们指出，辐射的能量密度和宇宙学常数之间的第三个交叉点与再电离时代相吻合。为了量化这种并发的统计相关性，我们计算贝叶斯因子之间的和谐宇宙学与自由汤姆逊散射光学深度和一个模型，这个参数是推断从施加的时间之间的匹配的密度平等和时代的再电离。这是为了表征潜在的解释增益，如果一个人要找到一个无参数的物理连接。我们发现一个非常强烈的偏好，从目前的宇宙学观测的杰弗里斯规模这样的并发。我们还讨论了先验的选择，再电离历史的变化，和中微子质量的自由和的影响。我们还估计了从普朗克高频仪器和未来的21厘米调查的前景增加中间偏振数据的影响。在第一种情况下，对相关性的偏好仍然很大，而未来的数据可能会给出更具决定性的正面或负面结果。最后，我们提供了对这些发现的不同解释的讨论。特别是，我们展示了如何恒星形成的历史和宇宙学背景动力学之间的连接可以引起这种并发。
2017-07-11 astro-ph.CO
Non-equilibrium temperature evolution of ionization fronts during the Epoch of Reionization
再电离时代（EoR）标志着宇宙黎明的结束和宇宙中大尺度结构形成的开始。脉冲电离锋（I-锋）加热和蒸发星系际介质（IGM）中再电离泡内的气体。这个过程中的温度是当前模型中一个关键但不确定的因素。通常，再电离模拟假设所有重子物质在I-锋通过期间彼此处于瞬时热平衡。在这里，我们提出了一个新的模型的温度演化的电离前沿通过研究非平衡效应。特别是，我们包括主要重子物种（$e^{-}$，\HI，\HII，\HeI，和\HeII）之间的能量转移，并研究其对电离后的前端温度$T_{\mathrm{re}}$的影响。为了在求解刚性方程时获得更好的步长控制，我们采用了隐式方法并构造了能量传递率矩阵。我们发现，平衡的假设是有效的低速电离前（$\lessapprox\ 10^9~\mathrm{cm}/\mathrm{s}$），但从平衡的偏差发生更快的战线。后锋温度$T_{\mathrm{re}}$比平衡情况低19.7%（在$3\times 10^9$ cm/s）或30.8%（在$10^{10}$ cm/s）。
2020-07-06 astro-ph.CO
Galactic Faraday rotation effect on polarization of 21 cm lines from the epoch of reionization
中性氢的红移21 cm信号是再电离期最有竞争力的探针之一。由于汤普森散射，非偏振21 cm辐射在EoR期间获得一定水平的线性偏振。这种线性偏振，如果测量，可以探测有关EoR的重要信息。本文研究了银河系法拉第旋转（FR）对21 cm辐射偏振探测的影响。由于红移21 cm信号的大波长性质，FR的影响很强，因此由21 cm光子携带的初始E模式信号被完全修改。我们表明，旋转测量（RM）数据的99%的准确度是必要的，以恢复初始E模式信号。我们的结论是，鉴于RM观测的当前状态，不可能从EoR中检索21 cm的初始偏振信号。然而，我们乐观地认为，这可能是从下一代无线电调查。
2013-07-16 astro-ph.CO
Probing patchy reionization through tau-21cm correlation statistics
我们考虑了在再电离阶段自由电子和中性氢之间的互相关。自由电子通过光学深度追踪到再电离τ，而中性氢可以通过21 cm光子发射观察到。正如预期的那样，这种相关性对再电离的详细物理过程很敏感。最重要的是，如果再电离发生通过合并相对较大的晕托管电离源，自由电子和中性氢是反相关的大部分再电离的历史。当能够形成电离源的晕很小时，对相关性的正贡献可能发生。互相关中的这种符号变化的测量将直接测量气泡偏差，并且因此测量晕质量。我们使用由Dvorkin和Smith（2009）提出的非均匀再电离tau_{lm}的估计器来估计互相关的信噪比。我们发现，与即将到来的无线电干涉仪和CMB实验，互相关是可测量的多极l ~ 1000。我们还推导出参数约束，并得出结论，尽管前景，互相关证明了互补测量的EoR参数的21厘米和CMB偏振自相关预计将在未来十年内观察到。
2013-10-16 astro-ph.CO
Effects of Small-Scale Absorption Systems on Neutral Islands during the Late Epoch of Reionization
在类星体的吸收线观测中，电离光子的小尺度吸收体被看作是莱曼极限系统，它将延长再电离过程。我们使用一组半数值模拟研究吸收系统对再电离过程的影响，特别是它们在再电离后期（EoR）对中性岛的影响。研究了三种模型，即高电离背景下的极端无SSA模型、相对高电离背景下的中等SSA模型和低电离背景下的稠密SSA模型。我们发现，虽然中性区的特征尺度在再电离的早期和中期阶段的减少，它几乎保持不变，在10个同动Mpc的后期阶段的无SSA和中等SSA模型。然而，在稠密SSA模型中，在弱电离背景的情况下，特征岛尺度表现出明显的演化，因为大岛屿分裂成许多缓慢电离的小岛屿。因此，EoR晚期中性岛的演化行为提供了一种新的方式来限制SSA的丰度。我们将讨论21厘米观测与即将到来的平方公里阵列。不同的模型可以通过21 cm成像或21 cm功率谱测量来区分。
2022-01-13 astro-ph.CO
The Dark Side of Reionization: Probing Cooling in the Early Universe
探索从氢重组到第一批恒星和星系形成的结构增长是观测宇宙学最重要的未知领域之一。远红外光谱覆盖$λ$ 100-500微米的空间，和狭窄的部分传输大气波段可从地面上，开辟了探测分子氢和金属精细结构线从原始云的可能性，第一批恒星和星系形成在6 < z $<$ 15。基于斯皮策对冲击波产生的意外强大的H2发射的观测，我们认为下一代远红外空间望远镜可能会打开一个新的窗口，进入主要的云冷却过程和反馈效应，这是这个重要但未探索的时代的特征。没有这个窗口，我们基本上看不到主导的云冷却，这不可避免地导致恒星形成和宇宙再电离。
2009-03-10 astro-ph.CO
The spectral evolution of the first galaxies. II. Spectral signatures of Lyman continuum leakage from galaxies in the reionization epoch
从z>6星系逃逸的电离光子的比例（fesc）是评估这些天体在宇宙再电离中的作用时的一个重要参数，但星系际介质的不透明性排除了在这些时期直接测量单个星系的fesc。我们认为，由于fesc调节星云发射对星系光谱的影响，它仍然应该是可能的间接探测fesc以及再电离时代。作为第一步，我们证明，通过结合测量的休息帧的UV斜率β与Hb发射线的等效宽度，具有非常高的莱曼连续逃逸分数（fesc>0.5）的星系应该是可识别的z~9通过光谱与即将到来的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）。以低红移星系团后面的强透镜星系为目标，可以获得质量足够好的JWST谱，其中M（1500）<-16.0的星系在z~7，M（1500）<-17.5的星系在z~9。尘埃遮蔽的恒星形成可能会使分析复杂化，但ALMA或计划中的SPICA任务的支持观测可能会对这些星系的尘埃性质提供有用的限制。
2013-08-31 astro-ph.CO
Probing the Early History of Cosmic Reionization by Future Cosmic Microwave Background Experiments
宇宙再电离在宇宙微波背景（CMB）的温度和偏振各向异性上留下了自己的印记。CMB望远镜的进步已经对再电离的历史施加了重大的限制。由于不久的将来CMB望远镜的目标是最大的灵敏度，或仅受宇宙方差（CV）限制的观测，我们在此预测未来CMB观测在约束再电离历史方面的潜力。在这项研究中，我们进行马尔可夫链蒙特卡罗分析CV有限的E-模式偏振观测，如LiteBIRD（光卫星的研究B-模式偏振和膨胀从宇宙背景辐射探测），基于几种不同的方法，不同的方式采样再电离历史。我们特别关注于估计非常早期的历史，发生在红移$z>15$，这是量化的部分CMB光学深度由于自由电子在$z>15$，$τ_{z>15}$。我们发现，$τ_{z>15} \sim 0.008$的再电离，这是远远低于目前的上限$τ_{z>15} \sim 0.02$，是可以实现的再电离模型在早期阶段与minihalo的优势，并可以区分与$τ_{z>15} \lesssim 5\times 10^{-4}$通过CV有限的CMB偏振观测。然而，对$τ_{z>15}$的准确估计仍然有些难以捉摸。我们调查是否resscribe有限球谐模式的E模式偏振数据可以解决这个缺点。
2022-02-09 astro-ph.CO
Efficient Modelling of Lyman-α opacity fluctuations during late reionization epoch
Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）；Indian Institute of Technology Indore（印度理工学院印多尔分校）
本研究通过高效建模方法，利用半数值模型和观测数据，探讨了晚期再电离时期Lyman-α不透明度波动的参数约束与物理特性。
2025-10-28 astro-ph.CO
Finding Core Collapse Supernova from the Epoch of Reionization Behind Cluster Lenses
目前正在进行调查，以利用引力透镜的星系团与爱因斯坦半径>35”在寻找最高的红移星系。来自再电离时期的相关超新星将其通量提高到检测阈值以上，延长其可见时间。我们预测詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）将能够发现红移超过z=7-8的透镜核心坍缩超新星。
2013-03-27 astro-ph.CO astro-ph.HE
Probing the epoch of pre-reionization by cross-correlating cosmic microwave and infrared background anisotropies
第一颗恒星形成的时期和当时星系际介质（IGM）的状态无法用现有的望远镜直接观测。来自这些早期来源的辐射现在是宇宙红外背景（CIB）的一部分，并且当这些来源吸收它们周围的气体时，IGM等离子体将通过热Sunyaev-Zeldovich（TSZ）效应在宇宙微波背景（CMB）中产生微弱的温度各向异性。虽然这些TSZ各向异性太微弱，无法检测到，我们表明，交叉相关的源减去CIB波动从{ \it欧几里得}的地图，适当构造的微波地图在不同的频率可以探测的物理状态的气体在再电离和测试/约束模型的早期CIB源。我们识别了来自空间和地面仪器的频率组合的CMB减去的微波图，以表明它们可以与即将到来的全天空{ \it Euclid} CIB图交叉相关，以检测尺度为$\sim 5'-60'$的交叉功率，其中信号/噪声高达$S/N\sim 4-8$，这取决于这些预再电离时期对汤姆逊光学深度的贡献（$Δτ\simeq 0.05$）和IGM的温度（高达$\sim10^4$ K）。这样的测量将为探索这些第一光源的出现和物理特性提供一个新的窗口。
2014-11-07 astro-ph.CO
Constraining the Astrophysics of the Cosmic Dawn and the Epoch of Reionization with the SKA
平方公里阵列（SKA）将提供对早期宇宙的前所未有的看法，使用红移21厘米线的干涉观测。这条21厘米的线探测宇宙气体的热和电离状态，这是由我们宇宙中第一个结构的诞生和演化所决定的。在这里，我们将展示21厘米信号的演变将使我们能够研究第一代星系何时出现，它们的性质是什么，以及星系际介质的结构是什么。我们强调了定性趋势，这将为早期宇宙提供强大的见解。
2015-01-16 astro-ph.CO
Revisiting the Intergalactic Medium Around GRB 130606A and Constraints on the Epoch of Reionization
本文重新分析GRB 130606A，识别出先前中性分数结果矛盾的根源，采用多种阻尼翼模型得出3σ上限xHI<0.20-0.23，并强调需更多高红移GRB以约束再电离时代。
2025-03-25 astro-ph.CO
Using Neural Emulators and Hamiltonian Monte Carlo to constrain the Epoch of Reionization's History with the Ly$α$ Forest Power Spectrum
University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Max-Planck-Institut für Astrophysik（马克斯·普朗克天体物理学研究所）；The Ohio State University（俄亥俄州立大学）；Leiden University（莱顿大学）；University of Washington（华盛顿大学）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
本研究利用神经模拟器和哈密顿蒙特卡洛方法，通过Lyα森林功率谱约束重离子化时期的史实，展示了高精度参数估计的潜力。
2025-09-16 astro-ph.CO
Galactic Outflows and Photoionization Heating in the Reionization Epoch
我们进行了一套新的宇宙学辐射流体动力学模拟，并探讨星系外流和光电离加热对再电离时代恒星形成的相对影响。河外紫外背景（EUVB）本身在z=6时抑制光度函数不到50%，使观测到的星系丰度增加3-5倍。星系外流恢复了与观测的一致性，但没有阻止星族II恒星的形成，使宇宙在z=6时再电离。由此产生的EUVB抑制了维里温度低于10^5K的晕中的恒星形成，但在更大质量的晕中影响较弱。尽管如此，由于EUVB的不均匀性，低质量晕贡献了所有电离光子的50%。总的来说，恒星形成率与晕质量M_h成比例，在具有$M_h=10^{8.2--10.2}\msun$的晕中为1.3-1.4。这是一个比再电离模型中通常假设的更陡峭的依赖关系，在大尺度上提高了21厘米波动的预期功率谱。光度函数急剧上升到至少M_1600=-13，表明再电离是由尚未观测到的微弱星系（M_1600 >= -15）驱动的。我们的模型不能同时解释星系、宇宙微波背景和星系际介质的观测。增加动态范围将减轻现有的差异，但观测可能仍然需要额外的物理，如可变的电离逃逸分数（删节）。
2011-10-13 astro-ph.CO
Epoch of Reionization modelling and simulations for SKA
在本章中，我们提供了一个概述的模拟和建模的宇宙黎明和时代的再电离的现状。我们讨论的建模要求所规定的问题和SKA仪器属性和计划的调查参数的特征尺度。目前的模拟包括大多数相关的物理过程。它们可以遵循完整的非线性动力学，现在已经达到了所需的尺度和动态范围，尽管小尺度物理学仍然需要包括在次网格级别。然而，尽管在开发新的数值方法，有效地利用当前的硬件，他们仍然相当计算昂贵的显着进展。作为回应，一些替代方法，特别是半解析/半数值方法，已经开发出来。虽然必须更近似，但如果在模拟中适当地构造和校准，它们可以用于快速探索可用的巨大参数空间。在模拟和半分析建模中纳入一些物理过程方面仍需进一步开展工作。这种混合方法的快速，近似建模校准的数值模拟，然后可以用来构建大型图书馆的再电离模型的观测数据的可靠解释。
2015-01-17 astro-ph.CO
Impact of the Epoch of Reionization sources on the 21-cm bispectrum
本文通过模拟不同再电离源模型，计算21厘米双谱并分析特定$k$-三角形构型，证明其能有效区分由内向外、由外向内等不同再电离形态，从而约束电离光子源性质。
2024-09-06 astro-ph.CO
Deep-Learning Study of the 21cm Differential Brightness Temperature During the Epoch of Reionization
提出了一种基于卷积神经网络（CNN）的深度学习分析技术，从21 cm差分亮温断层图像中预测再电离期（EoR）的演化轨迹。我们使用21厘米FAST，一个快速的半数值宇宙学21厘米信号模拟器，产生模拟21厘米之间的$z=6 \sim 13$地图。然后，我们将两个观测效果应用到这些21厘米的地图，如仪器噪声和限制（空间和深度）分辨率有点适合现实的选择平方公里阵列（SKA）。我们使用CNN设计了深度学习模型，以预测给定21 cm图的切片平均中性氢分数。从我们的CNN模型中估计的中性分数即使在宽波束尺寸和频率带宽的粗平滑之后也与其真实值有很大的一致性，并且也被窄波束尺寸的噪声严重覆盖。我们的研究结果表明，深度学习分析方法具有很大的潜力，可以有效地重建未来21 cm断层扫描调查的EoR历史。
2020-07-14 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
Extending the Epoch of Reionization window with apt Foreground and Instrument modeling
可以看出，21厘米时期的再电离实验，预计有平滑的光谱依赖性的前景，是占主导地位的傅立叶空间的楔形区域称为前景楔。将21 cm再电离时期（EoR）信号与更大的前景分量分离的一种可能方法是关注傅立叶空间的剩余部分，称为EoR窗口。事实上，在傅立叶空间中存在三个不同的区域，（i）前景楔形部分，（ii）位于地平线楔形之外的EoR窗口区域，以及（iii）地平线楔形和视场楔形之间的区域。本文提出了两个问题：（1）两个楔形之间的信号是否也是EoR亮温起伏的直接表征？（2）在前景远大于信号的情况下，如何从该区域提取宇宙学信息？第一个问题的答案是肯定的，作为基线和延迟的函数的亮度波动与所考虑的情况下的EoR亮度温度波动在百分之几内相同。其次，由于不可忽略的旁瓣，中间区域不是无前景的。但是，如果对前景和仪器进行精确建模，则可以从该区域提取信号。由于所有三个分量，宇宙信号，前景和热噪声都是在同一个空间中计算的，因此建议的分析可能更简单。
2019-11-12 astro-ph.CO
21cm-line bispectrum as method to probe Cosmic Dawn and Epoch of Reionization
红移21 cm信号是研究宇宙黎明期和再电离期星系际介质状态的有效工具。在我们之前的工作中（Shimabukuro et al 2015），我们研究了方差和偏度，以给出21 cm功率谱的清晰解释，并发现偏度是X射线加热变得有效的时期的良好指标。因此，21厘米信号的空间分布的非高斯特征有望用于研究CD和EoR中的天体物理效应。在本文中，为了更详细地研究这种非高斯特征，我们专注于21厘米信号的双谱。21 cm亮温双谱可能是由于Wouthysen-Field（WF）效应、X射线加热和再电离等多种天体物理效应引起的非高斯性而产生的。我们研究了21厘米双谱的各种性质，如尺度依赖性、形状依赖性和红移演化。并研究了21 cm双谱各分量的贡献。我们发现，各分量的贡献具有典型的尺度依赖特征，在未来的实验中，我们可以利用21 cm双谱，结合功率谱和偏度，获得更详细的CD和EoR中IGM的信息。
2016-04-01 astro-ph.CO
The Thermal Sunyaev-Zel'dovich Effect from the Epoch of Reionization
该研究评估了再电离时期（EoR）对热桑尼亚耶夫-泽尔多维奇（tSZ）效应的贡献，通过RAMSES-CUDATON模拟发现其在小尺度上可能主导信号，对未来实验有重要意义。
2024-12-05 astro-ph.CO
