Cosmological hydrogen recombination: The effect of extremely high-n states
宇宙学氢复合的计算对于从宇宙微波背景（CMB）观测中提取宇宙学参数以及对暴胀和再电离施加约束至关重要。普朗克任务和未来的实验将在小至l~2500的角标度上对CMB各向异性进行高精度测量，这就需要以~10^{-3}的分数精度计算复合。最近的工作包括从高激发态的双光子跃迁和许多辐射转移效应。现代复合计算分别遵循氢原子的角动量子能级，以精确处理后期（z<900）的非平衡效应。包含极高n（n>100）的氢态在计算上是具有挑战性的，直到现在还无法确定预测CMB各向异性谱所需的最大n，并具有足够的普朗克精度。在这里，从一个新的多级原子代码（RecSparse）的结果。对于第一次，“禁止”氢的四极跃迁，但被证明是可以忽略不计的。RecSparse旨在快速计算复合历史，包括氢中极高的n态。计算一系列高达n_max=250的值的历史，分别跟踪氢原子的所有角动量子能级和能量壳层。使用不够高的n_max值（例如，N_max=64）导致错误（例如，1.8普朗克的σ）。外推误差，所得的CMB各向异性谱收敛到0.5 σ在费舍尔矩阵水平的n_max=128，在纯辐射的情况下。
2010-04-15 astro-ph.CO
Recombinations to the Rydberg States of Hydrogen and Their Effect During the Cosmological Recombination Epoch
本文讨论了在宇宙学复合时期氢原子的复合对高激发态（n > 100）的影响。为此，我们开发了一个新的ODE求解器的重组问题，隐式齿轮的方法的基础上。这个求解器允许我们在氢模型中包含多达350个l分辨的壳层或~ 61000个分离的能级，并在~27小时内解决一个宇宙学的复合问题。与我们之前的重组代码相比，这是一个巨大的性能改进，对于我们之前的重组代码，100壳计算（5050个独立的状态）已经需要在单个处理器上花费约150小时。我们表明，对于350壳层的红移z ~200的自由电子分数的结果实际上已经收敛。在z ~200处自由电子分数的最终修改从100个壳层的约\DeltaNe /Ne ~2.8%降低到350个壳层的\DeltaNe /Ne ~1.6%。然而，在大的多极l的CMB功率谱的相关变化是相当小的，因此，精确的计算与普朗克数据的分析已经~100壳预计是足够的。尽管如此，τ的总值仍可能受到显著影响。我们还简要地研究了碰撞对复合动力学的影响。利用我们目前对碰撞率的估计，我们发现在z ~ 700处的修正为\DeltaNe /Ne ~ -0.088%，这主要是由与质子的l变化碰撞引起的。此外，我们目前的宇宙复合谱的结果，表明在低频率碰撞过程是重要的。然而，当前碰撞速率的精确度不足以精确计算ν<~ 1GHz处的复合谱的模板，并且碰撞对复合动力学的影响也受到这些速率的不确定性的影响。
2010-06-14 astro-ph.CO
HyRec: A fast and highly accurate primordial hydrogen and helium recombination code
我们提出了一个国家的最先进的原始重组代码，HyRec，包括所有的物理效应，已被证明显着影响重组。氦复合的计算包括He I 2 1 P- 1 1 S线、He I 2 3 P- 1 1 S线中氢连续谱不透明度的简单解析处理，以及在现场近似下处理这些线之间的反馈。氢复合计算使用有效的多级原子方法，几乎占了无限数量的激发态。我们占双光子跃迁从2s和更高的水平，以及频率扩散莱曼α与完整的辐射转移计算。提出了一种新的方法，使辐射场与能级布居和自由电子分数同时演化。利用描述辐射转移的方程的特殊稀疏模式，加快了计算速度。完整重组历史的计算时间约为2秒。这使得我们的代码非常适合列入蒙特卡罗马尔可夫链的宇宙学参数估计即将到来的高精度宇宙微波背景各向异性测量。
2011-01-21 astro-ph.CO
Influence of a quasi-molecular mechanism of recombination on the formation of hydrogen in the early universe
在准分子理论框架下，对宇宙演化过程中复合前阶段氢原子的形成进行了定量分析。绝热多级表示的计算使得能够估计辐射跃迁的概率。复合的准分子机制允许氢分子离子$H_2^+$在其基态下形成。这个过程的概率与氢原子产生的概率相当。第二个质子参与复合增加了电子的结合能，降低了氢的复合速率。
2020-08-03 astro-ph.CO physics.atom-ph
Cosmological Hydrogen Recombination: influence of resonance and electron scattering
本文考虑了共振和电子散射对宇宙学氢复合过程中莱曼α光子逃逸的影响。我们特别注意原子反冲，多普勒提升和多普勒展宽的影响，使用Fokker-Planck近似的再分配函数描述光子的散射运动的氢原子的莱曼α共振。我们扩展了我们最近关于3d/3s-1 s双光子通道对氢复合动力学的影响的论文的计算，同时包括了问题的全部时间依赖性，热力学修正因子，导致发射和吸收轮廓之间的频率依赖性不对称性，以及与3d/3s-1 s发射和吸收过程的双光子性质有关的量子力学修正对莱曼α发射轮廓的精确形状的影响。我们发现，由于光子在频率上的重新分布，在z~900处，氢的复合速度加快了DN_e/N_e~-0.6%。对于CMB温度和偏振功率谱，这导致|DC_l/C_l|在l >~ 1500时约为0.5%-1%，因此对于未来在普朗克测量员、SPT和ACT背景下分析CMB数据将是重要的。原子反冲效应（在z~900处DN_e/N_e~-1.2%）是对这种修正的主要贡献，而多普勒增强和多普勒展宽部分抵消了这种修正，使氢复合速率在z~900处再次减慢了DN_e/N_e~0.6%。在z~1100处，汤姆逊可见度函数的最大值附近的电子散射的影响可以忽略不计。（节略）
2009-04-15 astro-ph.CO
Two-photon approximation in the theory of the electron recombination in hydrogen
本文提出了氢原子激发态多光子衰变的严格QED理论。提出了“双光子”近似，它受到单光子和双光子跃迁的限制，包括双光子级联跃迁。这对于严格描述氢原子的复合过程，以及从理论上研究早期宇宙中氢原子复合的历史是有帮助的。
2010-03-09 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
Hydrogen recombination in the early Universe in the presence of a magnetic field
本文研究了早期宇宙中存在磁场时的氢复合。推导了在磁场存在下的复合温度方程。弱场和强场的极限情况被认为是。结果表明，存在一个临界磁场，在该磁场以上，系统在所有温度下都处于氢原子相。估计了在磁场存在下复合温度的相对位移，并证明了这种位移是很小的。
2015-09-03 astro-ph.CO hep-ph
Ultrafast effective multi-level atom method for primordial hydrogen recombination
宇宙学氢复合由于其对预测宇宙微波背景各向异性功率谱的重要性，最近又重新引起人们的关注。已经清楚的是，为了获得足够精确的复合历史，有必要考虑大量n >~ 100的氢原子能壳层，分别遵循角动量子态。然而，遵循所有这些能级的总体的多能级原子代码在计算上是昂贵的，限制了最近的分析，只有在参数空间中的几个点。在本文中，我们提出了一种新的方法来解决多能级原子的复合问题，它分裂成一个计算昂贵的原子物理学组件，是独立的宇宙学，和超快宇宙演化组件的问题。原子物理学部分遵循激发态之间的束缚-束缚和束缚-自由跃迁网络，并计算辐射连接到基态的一小部分“界面”态的有效跃迁率。宇宙学演化分量只遵循界面态的布居。通过预表的有效率，我们可以减少多能级原子计算的经常性成本超过5个数量级。所得到的代码是足够快的马尔可夫链蒙特卡罗参数估计算法。它还不包括最近一些论文中考虑的辐射转移或高n双光子过程。为了产生可用于普朗克数据分析的重组码，还需要对这些效应进行进一步的分析处理。
2010-08-14 astro-ph.CO
Lowest order thermal correction to the hydrogen recombination cross section in presence of blackbody radiation
本文基于量子电动力学微扰理论，研究了黑体辐射下氢原子复合与电离截面的最低阶热修正，并讨论了其在实验室及天体物理温度范围内的效应。
2021-08-30 astro-ph.CO physics.atom-ph
Lyman-alpha transfer in primordial hydrogen recombination
来自宇宙微波背景（CMB）各向异性的宇宙学约束依赖于对宇宙复合历史的精确理论计算。最近的工作强调了辐射转移计算的重要性，由于在HI莱曼线的高光学深度。莱曼-α线中的传输主要由真实发射和吸收、哈勃膨胀和共振散射决定。共振散射导致光子由于来自氢原子的热速度的随机反冲而在频率上扩散，并且还由于经由原子反冲的能量损失而向较低频率漂移。过去的分析莱曼-α转移在复合时代要么考虑了这些过程的一个子集，忽略了时间依赖性，或错误地假设相同的发射和吸收曲线。我们在这里提出了一个完全依赖于时间的辐射转移计算的莱曼α线，包括所有这些过程，并将其与以前的结果，忽略了共振散射。我们发现一个更快的重组由于反冲增强莱曼-α逃逸率，导致在z=900的自由电子密度为0.45%的减少。这导致小尺度CMB功率谱的增加，这对于当前数据是可以忽略的，但对于普朗克来说将是0.9西格玛校正。我们讨论的原因，我们发现一个较小的修正比其他一些最近的计算。
2009-06-30 astro-ph.CO
Comment on "Two-photon approximation in the theory of electron recombination in hydrogen" (D. Solovyev and L. Labzowsky, Phys. Rev. A 81, 062509 (2010))
本文给出了D. Solovyev和L. Labzowsky内级联近似，被重新审视。某些衰变通道的校正结果与这些作者的原始结果有时相差一个数量级。一些方面的宇宙重组过程中澄清。
2011-12-09 astro-ph.CO physics.atom-ph
High-n Hydrogen Recombination Lines from the First Galaxies
我们调查的前景盲目和有针对性的搜索在无线电域（10 MHz至1太赫兹）的高n氢复合线从第一代星系，在z < 10。预期的光学薄自发α线光度计算作为一个函数的绝对AB星系在1500埃的星等。对于盲目的搜索，半经验光度函数被用来计算的星系的数量，其预期的流量密度超过假设的可探测性阈值。在10^4 km/s的基准瞬时通带中，在给定的观测频率下，至少有一个可探测星系的最小天空面积图可以用来评估给定设施探测所需的盲搜索时间。我们发现，检测的机会是最高的mm和submm域，但发现自发发射在盲目的搜索，特别是从红移z >> 1，是一个挑战，即使与强大的设施，如ALMA和SKA。在被引力透镜放大的Lyman-break星系中，有针对性地搜索主量子数n ~ 10的谱线，成功的概率较高。在这样一个星系中探测到不止一条氢谱线将允许谱线识别和星系红移的精确测定。
2013-08-28 astro-ph.CO
Resonant high energy graviton to photon conversion at post recombination epoch
本文研究了高能引力子在大尺度宇宙磁场中后复合时的共振转换。结果表明，共振光子产生的几率比非共振光子产生的几率高得多。因此，可能会产生可观测到的宇宙伽马射线各向同性背景。正如我们先前的论文所表明的，在大爆炸核合成（BBN）之前的早期原初黑洞（PBH）可能是高频引力波的有效来源。对于质量约为$10^8$ g的原始黑洞，产生的光子将是软到硬宇宙X射线背景（CXB）的主要成分，对于较低的质量，光谱向下移动到紫外和光学。
2013-05-08 astro-ph.CO gr-qc
A consistency test of the cosmological model at the epoch of recombination using DESI BAO and Planck measurements
本文利用DESI第一年BAO数据结合Planck先验，在不假设复合模型的情况下将声视界r_d作为自由参数测量哈勃常数，发现H₀比Planck标准ΛCDM结果高约2σ，提示复合时期可能存在新物理。
2024-09-04 astro-ph.CO
Recombination Clumping Factor of Physically Defined Intergalactic Medium at the Epoch of Reionization
Zhejiang University（浙江大学）；The University of Osaka（大阪大学）
研究再电离时期IGM的复合聚集因子\(C\)，基于电离光子有效透射因子给出新定义，用\textsc{Gamer - 2}代码模拟，发现新定义的\(C\)与传统值相当且对多因素鲁棒，超新星反馈在特定尺度影响再电离但不显著改变全局\(C\)。
2026-07-23 astro-ph.CO
Investigation of the electromagnetically induced transparency in era of cosmological hydrogen recombination
对宇宙微波背景形成过程的研究是目前最实际的问题之一。本文分析了氢原子对外光场的响应。场的特征是通过宇宙复合时代的条件来定义的。用三能级原子近似描述了“原子-场”相互作用。结果表明，在这种情况下发生了电磁感应透明现象。考虑EIT现象，有必要更新天体物理学描述的过程中的宇宙微波背景的形成，特别是索博列夫逃逸概率。发现Sobolev逃逸概率定义中光学深度的附加项约为1%。
2012-07-23 astro-ph.CO physics.atom-ph
Dynamo action at recombination epoch of open Friedmann universe spatial sections
Chicone等人[Comm Math Phys（1997）]通过分析频谱运动学磁发电机研究了快速发电机的存在性。在谱的实非退化分支中，运动发电机算子位于具有常负曲率的紧致黎曼二维空间上。在这里，Marklund和Clarkson [MNRAS（2005）]的推广，广义相对论GR-MHD发电机方程，包括平均场发电机。在动力学螺旋度不存在的情况下，绝热常数$γ={1/2}$和空间截面负黎曼曲率的引力坍缩增强了发电机效应$\frac{δB}{B}=2.6\times 10^{-1}$。线性发电机效应分解为曲率的临界时间。在复合时，COBE温度各向异性，意味着磁场增长率为$λ{\approx{10}^{-9}yr^{-1}}$。这就限制了曲率，直到复合磁场通过发电机作用被放大到当前值$B_{0}=10^{-9}G$。目前，负曲率已变为常数，这一结果在宇宙学中是有效的。由于负曲率是非常数的，因此绕过了Hilbert定理，该定理禁止负常曲率曲面嵌入$\textbf{R}^{3}$。
2010-02-09 astro-ph.CO astro-ph.GA
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
Hydrogen Recombination with Multilevel atoms
氢复合是许多天体中最重要的原子过程之一，如II型超新星（SN~II）大气、宇宙复合时期的高红移宇宙和星际介质中的H II区。如果考虑许多角动量子态、非共振过程，并从辐射转移方程的解计算所有原子过程的速率，而不是在热平衡假设下使用普朗克函数，电离分数的精确预测可能与简单解给出的结果大不相同。我们使用通用模型大气代码PHOENIX 1D来比较基本概率，如光电离概率，逃逸概率和碰撞去激发概率如何受到环境中其他金属，多个角动量子状态和非共振过程的影响。我们的比较是基于SN 1999 em的模型，SNe II型，爆炸后20天。
2010-05-04 astro-ph.CO astro-ph.SR
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
Advanced Three Level Approximation for Numerical Treatment of Cosmological Recombination
本文介绍了一种新的用于快速计算原初氢氦等离子体宇宙学复合的公开数值程序。该代码是基于三能级近似（TLA）模型的复合，并允许我们考虑到一些精细的物理效应的宇宙学复合的同时使用fudge因子。代码可以在http://www.ioffe.ru/astro/QC/CMBR/atlant/atlant.html上找到
2011-04-15 astro-ph.CO
Early dark energy in the pre- and post-recombination epochs
许多精粹模型都有标度或吸引子解，其中暗能量的部分在膨胀的前一个时期跟随主导成分，或者相变可能发生在接近物质辐射相等的时间。一个不可忽略的早期暗能量（EDE）分数周围的物质辐射平等可能有助于缓解$H_0$紧张。我们使用两种方法来约束EDE分数：首先，我们使用流体参数化，模仿过去的主要组件的高原。另一种层析成像方法约束的EDE密度在分箱红移间隔。这使我们能够在CMB光子去耦之前和之后重建$Ω_{de}(z)$。我们使用了普朗克数据2018，Ia型超新星（SNIa），星系聚类数据，SH0ES对SNIa绝对星等的先验，以及KiDS + VIKING-450和DES-Y1的弱透镜（WL）数据。当我们使用一个最小的参数化模仿背景高原，EDE只有一个小的影响，目前的宇宙学紧张局势。当允许其声速变化时，对EDE分数的约束大大减弱。通过我们的分箱分析，我们对CMB去耦时间附近的EDE分数施加了非常严格的约束，$\lesssim 0.4\%$在$2σ$ c.l.我们证实了以前的结果，一个显着的EDE分数在辐射主导的时代（RDE）放松的$H_0$紧张，但往往恶化的$σ_8$之一。在物质主导的时代，EDE的存在有助于缓解这一问题。当SH0 ES先验和WL数据与CMB、SNIa和重子声振荡数据相结合进行拟合分析时，EDE分数被限定为RDE历元的$\lesssim 2.6\%$和$2σ$ c. l.处红移范围…
2021-09-22 astro-ph.CO
EIT phenomenon for the three-level hydrogen atoms and its application to the era of the cosmological recombination
研究了早期宇宙中的电磁感应透明现象。本文计算了光子在氢原子上单次散射的基本过程，目的是为了在辐射转移理论中应用。发现了依赖于外界条件的附加函数$f$，该函数可以看作是对光学深度的调整，它导致了逃逸概率$p_{ij}(τ_S)\rightarrow p_{ij}(τ_S(1+f))$现代化的必要性。给出了三能级近似下不同原子方案的$f$数值。发现在部分情况下，函数$f$的大小对CMB的形成有显著影响。
2014-03-22 astro-ph.CO physics.atom-ph
Ly alpha escape during cosmological hydrogen recombination: the 3d-1s and 3s-1s two-photon processes
我们给出了莱曼α光子的辐射转移方程的一个公式，它允许我们包括宇宙学氢复合过程中3s-1 s和3d-1 s衰变通道的双光子修正。我们用这个方程来计算的Lyman α光子在氢复合过程中的Sobolev逃逸概率的修正，然后让我们计算的变化，在自由电子分数和CMB温度和偏振功率谱。结果表明，在z~1400处，与Sobolev近似相比，有效逃逸几率变化了DP/P ~+ 11%.在z~1190处，这使氢的复合速度加快了DN_e/N_e ~- 1.6%，这意味着|DC_l/C_l| l >~ 1500时约为1%-3%，CMB功率谱中最大值和最小值的位置发生了偏移。这些修正对于分析未来的资本市场管理局数据将是重要的。总校正是三个独立过程叠加的结果，涉及（i）问题的时间依赖性方面，（ii）由于莱曼α线附近的发射和吸收轮廓形状与正常洛伦兹线的量子力学偏差引起的校正，以及（iii）热力学校正因子，这是非常重要的。所有这些修正在Sobolev近似中都被忽略了，但它们在未来的CMB观测中很重要。所有这三个可以自然地获得在莱曼α吸收过程的双光子配方。然而，修正（i）和（iii）也可以在正常的“1+1”光子语言中推导出来，而不一定要去双光子图像。因此，只有（ii）是真正相关的量子力学方面的双光子过程（删节）
2009-04-02 astro-ph.CO astro-ph.GA
Probing the Pre-Reionization Epoch with Molecular Hydrogen Intensity Mapping
氢分子现在被认为是导致第一批恒星和星系形成的原始气体云的主要冷却剂。与分子氢有关的谱线辐射应该是宇宙再电离开始时物质分布的一个很好的示踪剂。在这里，我们提出了在静止帧中红外波长的H2线发射的强度映射映射出的红移z > 10的气体的空间分布。我们计算了几条H2谱线的平均强度和聚类功率谱。我们发现0- 0 S（3）转动谱线在静止波长为9.66微米处是红移范围10 - 30的最亮谱线，在z~15处的强度约为5 - 10 Jy/sr。为了减少天体物理和仪器系统，我们提出了交叉相关的多条线的H2旋转和振动线发射光谱。我们的估计强度可以作为指导规划工具，为未来的中红外光谱任务，如SPICA。
2012-12-12 astro-ph.CO
A quasi-molecular mechanism of formation of hydrogen in the early Universe -- a scheme of calculation
在我们最近的论文（Kereslidze et all 2019 a，2021）中，提出了一种非标准的准分子机制，并应用于处理宇宙学重组。人们假设，在宇宙演化的预复合阶段，一个电子与两个相邻的质子结合，产生了氢分子离子$H_2^+$，处于高度激发态，然后下降到较低的激发态或解离。在这项工作中，我们阐述了计划的计算自由束缚辐射跃迁到吸引态的$H_2^+$的红移$z$的功能。连同早期开发的$H_2^+$中的束缚-束缚辐射跃迁的处理，详细的计算方案可用于设计快速和完整的宇宙学复合代码。
2021-04-22 astro-ph.CO physics.atom-ph
Contribution of Cross-Correlations to the 21cm Angular Power Spectrum in the Epoch of Reionization
中性氢21厘米超精细跃迁的测量为再电离时代和黑暗时代提供了独特的探测手段。三个主要的机制被认为是主导辐射过程：从第一个星系和/或类星体的电离气泡周围的中性氢发射，从迷你晕内的中性氢发射，以及对宇宙微波背景的扩散中性氢的吸收。在目前的工作中，通过简单地结合现有的三种机制的分析模型，我们调查这三个组件之间的互相关的贡献，总的21厘米角功率谱，在这个意义上说，中性氢与不同的辐射过程跟踪的大尺度结构的底层密度扰动。虽然包含互相关后的21 cm功率谱几乎保持不变，但在红移z~20处，21 cm辐射从发射主导相位过渡到吸收主导相位期间，互相关可能在21 cm功率谱的确定中起关键作用。预计在此过渡期间的21厘米角功率谱的显着抑制扩散中性氢的吸收和发射组件之间的互相关的负贡献的结果。因此，准确地预测宇宙21厘米功率谱应该考虑互相关，特别是在过渡阶段。
2009-11-24 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
Cosmic recombination history in light of EDGES measurements of the cosmic dawn 21-cm signal
最近对来自宇宙黎明的全球21厘米信号的EDGES测量表明，星系间介质（IGM）的动力学温度可能比其预期值低得多。较冷的IGM直接影响宇宙黎明和黑暗时期的氢复合，提高了复合率。在这里，我们研究和量化，更冷的IGM方案的背景下，宇宙的重组历史的DM重子相互作用模型，这是广泛用于解释的深度的EDGES 21厘米信号的影响。我们发现，在一般情况下，氢电离分数得到抑制在黑暗时代和宇宙黎明和抑制逐渐增加，在较低的红移，直到X射线加热turnon.However，电离分数的准确估计需要知识的IGM的整个热历史，从时代的热退耦的氢气和宇宙黎明的CMBR。这是可能的，两个单独的方案，预测非常相似的HI差异温度在宇宙黎明期间，并与EDGES 21厘米信号一致，可能有非常不同的IGM温度在黑暗时代。在这两种情况下的电离分数的演变是完全不同的。这使得我们无法单独使用EDGES 21 cm信号准确计算宇宙黎明期间的电离分数。我们发现，在红移$z \sim 17 $的标准方案中，电离分数的变化可能是$\sim 0 \%$到$\sim 36 \%$之间的任何变化。这种不确定性可能会减少，如果测量HI 21厘米差分温度在多个红移同时使用。
2020-09-03 astro-ph.CO
Effects of Antenna Beam Chromaticity on Redshifted 21~cm Power Spectrum and Implications for Hydrogen Epoch of Reionization Array
由于前景和仪器的系统性不明确，严重限制了现有实验对再电离期（EoR）红移21 cm信号的探测灵敏度。即将进行的实验面临着一个挑战，即每个天线元件提供更多的收集面积，而不会降低系统学的数据。本文及其同伴表明，使用氢时代再电离阵列（HERA）作为一个例子，碟是可行的，以实现这种平衡。在这里，我们特别确定与天线功率模式相关的频谱系统学作为对所有EoR实验的重大损害，其导致已经明亮的前景功率泄漏远远超出理想限制并污染原本干净的EoR信号模式。这种色度的主要来源是天线馈电组件中以及相邻天线中的结构之间的反射。使用精确的前景模拟考虑到宽场效应，我们提供了一个框架，以设置宇宙学动机的设计规范，这些反射，以防止进一步的EoR信号退化。我们表明HERA将不会受到这种光谱系统学的阻碍，并证明即使在不执行前景去除的保守情况下，HERA也会以高显著性检测视线$k$模式（$k_\parallel \gtrsim 0.2\,h$ ~Mpc $^{-1}$）中的EoR信号。19单元HERA布局中的所有基线都能够在天空的大量观测窗口上探测EoR。
2016-03-29 astro-ph.CO
Sensitivity of the Hydrogen Epoch of Reionization Array and its Build-out Stages to One-point Statistics from Redshifted 21 cm Observations
我们提出了一个基线敏感性分析的氢时代的再电离阵列（HERA）和它的构建阶段的一点统计（方差，偏度和峰度）的红移21厘米强度波动的再电离时代（EoR）的基础上现实的模拟观测。通过开发一个全天空21厘米光锥模型，考虑到适当的视野和频率带宽，利用一个现实的测量方案，并假设完美的前景去除，我们表明，HERA将能够恢复统计的天空模型与高灵敏度的平均测量从多个领域。所有构建阶段都将能够检测方差，而HERA128和更大的偏度和峰度应该是可检测的。我们确定样本方差作为方差测量的限制约束，而偏度和峰度测量将主要受到热噪声的限制。可以通过执行频率合并和加窗来提高灵敏度。此外，我们发现，强样本方差波动的峰度测量从一个单独的领域的观察表明，存在边远的冷或热区域的基础波动，一个功能，可以潜在地被用作EoR泡沫指标。这份手稿是从原来发表的论文修改，以反映更正的勘误表。
2018-04-24 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
Modified hydrogen recombination rate due to non-Hubble redshift effects
Institute for Nuclear Research of Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院核物理研究所）
本研究针对宇宙学参数测量差异问题，修正莱曼-α光子复合速率的计算模型，发现非哈勃红移效应可解释参数差异，且修正模型支持该效应并偏好特定宇宙学参数取值。
2026-10-16 astro-ph.CO hep-ph hep-th
CMB Constraints on WIMP Annihilation: Energy Absorption During the Recombination Epoch
我们详细计算了暗物质湮灭注入的能量在z ~ 1000处加热和电离光子-重子等离子体的速率，并为广泛的湮灭通道和DM质量的相关红移范围提供了精确的拟合函数。由此产生的扰动的电离历史可以约束的CMB温度和偏振角功率谱的测量。我们表明，模型，适合最近测量的过剩10-1000 GeV的电子和正电子宇宙射线已经接近95%的置信限从WMAP。最近发射的普朗克卫星将能够排除DM对这些过度的广泛解释。在暗物质的模型与索默托增强湮灭，其中sigma v上升与WIMP速度下降，直到某个饱和点，WMAP 5的约束意味着，增强必须接近地球附近的饱和。
2009-06-24 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
All-sky signals from recombination to reionization with the SKA
宇宙氢含量的宇宙演化，通过重组和再电离的结束，预计将被揭示为微妙的光谱特征，在统一的河外宇宙射电背景。中性氢21厘米自旋翻转跃迁激发温度的红移演化表现为相对于宇宙微波背景的红移发射和吸收。从宇宙黎明和时代的再电离的光谱迹线的精确签名是依赖于恒星和早期星系的第一束缚系统的光谱辐射率，丰度和分布，其中支配的自旋翻转水平人口的演变。当自旋温度偏离周围遗迹宇宙微波背景的温度时，从这些历元红移21厘米，导致在40-200 MHz范围内的全天空光谱结构，几乎完全在SKA低波段内。气体演化的另一个光谱结构是氢和氦复合时期的红移复合线;这一事件产生的弱全天光谱结构最好在SKA-mid的350-3050 MHz波段的上端检测到。SKA干涉仪元件的总功率谱形成了这些来自复合和再电离的微弱信号的测量集;元件间干涉仪vibrations形成了校准集。面临的挑战是在精密偏振校准的元素光谱响应和解决添加剂和不必要的混淆泄漏天空角结构模式到光谱模式。在这里，我们讨论的观测方法和设计要求，使这些全天空SKA测量的宇宙演化的氢。
2015-01-18 astro-ph.CO astro-ph.IM
H, He-like recombination spectra I: $l$-changing collisions for hydrogen
星云中的氢和氦发射线是由辐射复合形成的。这是一个简单的过程，原则上可以非常精确地描述。He I和H I发射线的比率可用于测量He $^+$ /H $^+$丰度比，其精度与复合速率系数相同。本文研究了关于描述$n$壳层中能量简并态间偶极$l$变化碰撞（$nl\rightarrow nl'=l\pm 1$）的正确理论的争论。半个世纪以来，Pengelly和Seaton（1964）的工作一直被认为是“解决”这个问题的权威性研究。Vrinceanu et al.（2012）建议使用半经典近似的速率系数，其比Pengelly & Seaton（1964）的速率系数小近一个数量级，结果是$nl$种群需要显著更高的密度才能达到局部热力学平衡。在这里，我们比较预测的H~I发射率从两个作品，并发现广泛的差异，高达$\approx 10$ %。这远远超过了从观测中获得原始He/H丰度比所需的1%精度，从而限制了大爆炸宇宙学。我们推荐使用Pengelly & Seaton（1964）的速率系数来描述$l$变化碰撞的H复合谱，这是基于长程偶极相互作用的量子力学表示。
2016-04-13 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Decay of multiple dark matter particles to dark radiation in different epochs does not alleviate the Hubble tension
衰变的冷暗物质（CDM）被认为是解决哈勃膨胀率和物质聚集之间紧张关系的一种机制。然而，宇宙微波背景（CMB）的偏振测量严重限制了暗物质在重组前的衰变比例，而大尺度结构对CMB各向异性的透镜效应对暗物质在重组后的衰变有很强的限制。总之，这些限制使得用衰减的暗物质来解释哈勃张力不太可能。针对这种情况，我们研究了一个暗物质系综与CDM粒子衰变成自由流动的暗辐射在不同的时代，可以缓解这个问题。我们发现它没有。
2022-04-25 astro-ph.CO hep-ph
Non-Gaussianity in the Cosmic Microwave Background Anisotropies at Recombination in the Squeezed limit
我们解析地估计了压缩极限下复合时刻的二阶宇宙微波背景温度各向异性，并推导出了对原初局域非高斯性的污染。我们发现污染水平对应于f_NL^{con}=O（1），它低于目前实验的灵敏度，也小于最近文献中声称的值O（5）。
2011-09-13 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
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
The Hydrogen Epoch of Reionization Array Dish I: Beam Pattern Measurements and Science Implications
氢再电离时期射电阵列（HERA）是一个射电干涉仪，旨在探测来自中性氢再电离时期（EOR）的21 cm涨落功率谱。借鉴默奇森宽场阵列（MWA）和探测再电离时代的精密阵列（PAPER）的经验，HERA是一个六边形阵列的大型（14米直径）天线与悬挂偶极子饲料。碟形天线不仅决定整体灵敏度，而且影响干涉仪中前景的观测频率结构。这是一系列四篇论文中的第一篇，通过模拟和测量来表征碟形天线的频率和角度响应。我们在本文中关注角响应（即，功率模式），其设置高延迟和低延迟的天空区域之间的相对权重，并因此设置视在源频率结构。我们使用Neben等人的ORBCOMM波束映射系统测量了137 MHz处的角响应。我们在最佳碟/馈源配置下测量了93 m^2的收集面积，这意味着HERA-320应该使用前景回避方法在z~9处检测EOR功率谱，信噪比为12.7，单季观测，和74.3使用前景减法方法。最后，我们研究了这些光束测量的前景在傅立叶空间中的分布的影响。
2016-12-07 astro-ph.CO astro-ph.IM
Towards a complete treatment of the cosmological recombination problem
本文提出了一种新的宇宙学复合问题的研究方法，它完成了我们以前对宇宙学氢复合时期双光子过程效应的分析，解释了ns-1 s和nd-1 s拉曼事件以及n>=2能级的双光子跃迁。氢的重组问题是使用一个有效的400壳层多层次的方法，我们随后添加到文献中讨论的所有重要的重组校正到目前为止。我们明确地解决了辐射转移方程的莱曼系列光子场，以获得所需的修改的速率方程的解决水平。与以前的计算结果一致，我们发现2s-1 s拉曼散射导致复合延迟DN_e/N_e~0.9%（z~920）。双光子衰变和拉曼散射从较高的水平（n>3）导致一个小的额外的修改，和精确的结果时，可以获得包括其影响的前3-5壳。这项工作是迈向新的宇宙学重组代码（CosmoRec）的重要一步，该代码取代了Recfast中包含的物理模型，并且由于其运行时间短，可以用于分析未来来自普朗克测量员的CMB数据。
2010-12-07 astro-ph.CO gr-qc physics.atom-ph
Can the quasi-molecular mechanism of recombination decrease the Hubble tension?
在最近提出的非标准的准分子复合机制中，相邻质子的存在增加了电离能并降低了氢的最终复合速率。这两种效应都可以使CMB数据和标准宇宙学模型得到的宇宙膨胀率的数值偏大，从而可以减少或解决哈勃张力问题。我们还注意到，由于准分子通道的复合开始较早，这可能会解决σ-8张力，因为CMB预测的后期物质密度值将降低。
2021-06-04 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Exploring the epoch of hydrogen reionization using FRBs
我们描述了三种利用快速射电暴（FRB）探测氢再电离时期的不同方法，并为高红移（z）处FRB的存在提供了论据。最简单的方法，观测，是确定最大的色散措施（DM $_{\rm max}$）的FRB的合奏，其中包括在再电离爆发。DM $_{\rm max}$提供了关于再电离的信息，就像CMB到汤姆逊散射的光学深度一样，如果DM $_{\rm max}$可以测量到优于500 $\mbox{pc cm}^{-3}$的精度，它有可能比普朗克的约束更精确。另一种方法是以$\sim10\%$精度测量z为6-10之间的约40个FRB的红移，以获得具有$\sim4\%$精度的4个不同z仓中的平均电子密度。这两种方法不需要知道FRB的光度函数和可能的红移演化。最后，我们表明，再电离的历史是反映在每单位DM的FRB的数量，给出一个注量有限的调查FRB，包括在再电离时代的爆发，我们表明使用消防模拟DM的贡献从FRB宿主星系$\&$ CGM在再电离时代是所观察到的DM的一小部分。第三种方法不需要红移信息，但需要FRB光度函数的知识。
2021-02-01 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Revisiting the quasi-molecular mechanism of recombination
最近由Kereselidze等人提出的重组的准分子机制，是一个非标准的过程，在早期宇宙中，一个电子和两个相邻的质子直接形成一个处于高度激发态的电离氢分子，然后下降到较低的能级或离解。有人认为，由于第二个质子的参与而增加的结合能可能导致更早的宇宙复合，从而消除哈勃张力。更详细地重新审视重组的准分子通道，我们发现，最初的工作大大高估了在相关时期找到一对相邻质子的概率（$z\sim $几千）。我们的新估计表明，重组的准分子机制不可能是哈勃张力的主要原因。
2022-04-23 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
