Formation of Compact Stellar Clusters by High-Redshift Galaxy Outflows II: Effect of Turbulence and Metal-Line Cooling
在原始宇宙中，维里温度低于10 $^{4}$ K的低质量结构无法通过原子线跃迁冷却，导致恒星形成的强烈抑制。另一方面，这些“迷你光环”非常容易通过附近星系外流的相互作用引发恒星形成。在Gray & Scannapieco（2010）中，我们探讨了非平衡化学对这些相互作用的影响。在这里，我们把注意力转向金属的作用，进行了一系列高分辨率的三维自适应网格细化模拟，包括金属冷却和亚网格湍流混合模型。尽管存在一个额外的冷却剂，我们再次我们发现，外流minihalo相互作用产生的密集，大规模的星团的分布。我们还发现，这些集群均匀富集金属的最终丰度Z $\approx$ 10 $^{-2}$ Z $_{\odot}$。在我们之前的模拟中，所有这些性质都表明，这些相互作用可能导致了今天的晕状球状星团。
2011-04-12 astro-ph.CO
3D simulations with boosted primordial power spectra and ultracompact minihalos
我们进行三维模拟的结构形成在早期宇宙中，当提升原始功率谱约kpc尺度。我们证明，我们的模拟能够产生接近陡峭的$ρ\propto r^{-9/4}$晕配置文件，通常被认为是一个很好的近似超紧凑迷你晕（UCMHs）的幂律配置文件。然而，我们表明，对于更现实的初始条件，晕既不是完全对称的，也不是孤立的，陡峭的幂律分布被打乱，我们发现，纳瓦罗-弗伦克-怀特的配置文件是一个更好的适合大多数晕。在背景波动的存在下，即使是极端的，近似球形的初始条件也不会保持例外。尽管如此，提高初始波动的幅度会导致所有结构更早形成，从而形成更大的密度。在足够大的波动幅度下，我们发现模拟中典型晕的浓度值可以变得非常大。然而，尽管来自这些晕核心内部的暗物质湮灭的信号被增强，但与通常假设的UCMH轮廓相比，它仍然是小的数量级。因此，应重新评估未观测到UCMH的原始功率谱的上限。
2018-01-04 astro-ph.CO hep-ph
Large-scale BAO signatures of the smallest galaxies
最近的研究表明，在高红移时，暗物质和重子气体之间的相对速度通常是超音速的。这种相对速度抑制了最早的重子结构（如微晕）的形成，并且这种抑制在大尺度上受到调制。这种效应在最早期结构的聚簇功率谱中留下了特征形状的印记，在100 Mpc尺度上具有显著的功率，具有高度显著的重子声学振荡。这些振荡的振幅在z=20处比先前预期的大几个数量级。这个特征信号可以让我们区分在再电离之前和再电离过程中小晕对星系际气体的影响。我们说明了这种效果与21厘米发射和吸收的红移过程中和再电离前的例子。这种效应可能使我们能够利用100 Mpc尺度的观测来探测kpc尺度的物理学。我们目前的灵敏度预测FAST和阿雷西博。根据参数的不同，这种增强的结构可能在z=15-20附近的红移处被阿雷西博探测到，并且使用适当的仪器，FAST可以高精度地测量BAO的功率谱。原则上，这种效应也可能对通过观测低红移的BAO特征来限制暗能量的努力构成严重挑战。
2010-09-23 astro-ph.CO
Gamma-Ray Constraints on the First Stars from Annihilation of Light WIMPs
我们计算了早期宇宙中存在的暗物质迷你晕中容纳第III.1族恒星的比例的极限，这些恒星今天作为银河系晕中的暗物质尖峰而幸存下来。受DAMA和CoGeNT直接暗物质搜索中光暗物质的潜在线索的启发，我们考虑了质量为5、10和20 GeV的热遗迹WIMP暗物质，并湮灭为mu^+ mu^-、tau^+ tau^-和q bar{q}。从这个简短的研究中，我们得出结论，如果暗物质是轻的，要么典型的黑洞大小是\lesssim 100 M_ \odot（即没有显著的暗星阶段），和/或暗物质主要湮灭到μ ^+ μ ^-或其他导致低伽马射线光度的最终状态，和/或早期宇宙中极少数似乎适合于第一批恒星形成的迷你晕实际上确实如此。
2012-05-03 astro-ph.CO astro-ph.HE
The First Galaxies: Assembly under Radiative Feedback from the First Stars
我们研究如何辐射反馈的第一个恒星影响的第一个矮星系的组装。我们对一个矮星系在z = 10时聚集在一个维里质量为10^9太阳的晕内进行了宇宙学放大SPH模拟。模拟遵循原始气体的非平衡化学/冷却以及气体转化为无金属恒星。为了量化的辐射反馈，我们比较模拟中，恒星发出分子氢离解和氢/氦电离辐射与模拟中，恒星只发出离解辐射，并与模拟中，恒星保持黑暗。光解离和光电离对模拟星系的组装有很强的负反馈作用.与模拟中恒星保持黑暗的情况相比，气体冷凝受到强烈阻碍，恒星形成受到强烈抑制。对气体的反馈意味着抑制的中心暗物质密度在minihalo祖的几个因素，这是一个显着的偏离奇异的等温密度分布特征的暗物质分布在没有辐射反馈。气体密度、恒星形成速率和暗物质分布的演化在小晕组装的后期阶段对电离辐射的存在变得不敏感，一旦小晕转变为原子冷却的星系，对电离辐射的存在变得不敏感。在矮星系内部形成的扩展盘是一个不受辐射影响的强大结果。我们估计，像这里模拟的矮星系将是即将到来的詹姆斯韦伯太空望远镜将探测到的最微弱的星系之一。我们的结论是受我们忽视的反馈超新星和化学富集以及宇宙的变化。[删节]
2013-03-20 astro-ph.CO
Impact of the Relative Motion between the Dark Matter and Baryons on the First Stars
最近的研究表明，暗物质与重子的初始超音速相对速度对高红移下的星系形成有重要影响。我们研究了这种相对运动对恒星形成晕分布和第一颗恒星形成红移的影响。我们包括一个新的方面，在最近的模拟中发现，通过拟合他们的结果，以获得分子冷却所需的空间变化的最小晕质量的相对速度效应。因此，相对速度有三个独立的效果：抑制晕丰度，抑制每个晕内的气体含量，并提高最小冷却质量。我们表明，两个supplies（气体含量和晕丰度）的主要影响的小minihalos，不能形成恒星，而冷却质量提升结合丰度抑制，以产生秩序统一波动的恒星密度。我们量化了星系的大尺度不均匀性，发现68%的恒星形成（平均在3 Mpc尺度上）局限于z=20时体积的35%（z=40时仅为18%）。此外，我们估计第一颗恒星的红移为z ~ 65，其中包括由于相对速度引起的Dz ~ 5延迟。
2011-10-11 astro-ph.CO
Fragmentation in Population III Galaxies formed through Ionizing Radiation
在小晕中形成的第三星族恒星往往相对效率较低，每个小晕都有一颗或少量比本地恒星质量更大的恒星，但在高红移下直接观测仍然具有挑战性。在这里，我们探讨了一种可能的机制，产生较大的集群这样的恒星：附近的电离源电离后期形成的晕，延迟其崩溃，直到晕足够大，核心可以自我屏蔽，遭受失控崩溃。我们使用一个简单但准确的辐射电离通量模型进行模拟，并证实了以前工作的基本预测：较高的电离通量可以延迟坍缩到较低的红移和较高的质量，高达原子冷却极限以上的数量级。在有限数量的运行中，我们还研究了更高分辨率的核心碎片，使用简单的估计和下沉粒子，以表明碎片的数量一般很小，最多只有几个，并且碎片上的质量吸积速率为$10^{-3}$ M $_\odot$ yr $^{-1}$。这个速率足够高，以至于主序的下降（从而抑制吸积）被延迟到恒星质量为$100-1000$ M $_\odot$，但还不足以产生质量为$\sim 10^5$ M $_{\odot}$的直接坍缩黑洞。由此产生的集群比迷你光环中产生的集群更大，但仍然可能无法在JWST盲场中轻易检测到。
2019-07-26 astro-ph.CO astro-ph.GA
Tracing Inflationary Imprints Through the Dark Ages: Implications for Early Stars and Galaxies Formation
Hassan II University（哈桑二世大学）；Virtual Institute of Astroparticle Physics（天体粒子物理虚拟研究所）；Southern Federal University（南联邦大学）；National Research Nuclear University MEPhI（国立核研究医科大学MEPhI）
研究通过分析通胀特征对早期宇宙结构形成的影响，揭示了暗物质晕和早期星系形成的物理机制，并探讨了原始黑洞作为星系种子的潜在作用。
2026-02-15 astro-ph.CO gr-qc
Cosmic Reionization May Still Have Started Early and Ended Late: Confronting Early Onset with CMB Anisotropy and 21 cm Global Signals
再电离的全球历史是由三个晕质量群释放的星光的相对数量决定的：维里温度Tvir > 10^4 K的原子冷却晕（ACH），或者（1）质量足以在再电离后形成恒星（类地星云，>~ 10^9 Msun）或（2）质量较小的类地星云（类地星云），当被再电离超越时，会受到恒星形成的抑制，（3）Tvir < 10^4 K的H2冷却微晕（MH），其恒星形成主要受到H2解离的莱曼-沃纳（LW）背景的抑制。我们以前的工作表明，包括MHs引起两个阶段的再电离-早期上升到x ~ 0.1，由MHs驱动，然后快速上升，后期，到x ~ 1，由ACH驱动-与CMB偏振各向异性的签名预测是可检测的普朗克卫星。受此预测的启发，我们半解析地模拟了全球再电离，以与普朗克CMB数据和EDGES全球21 cm吸收特征进行比较，模型具有：（1）ACH，无反馈;（2）ACH，自我调节;（3）ACH和MH，自我调节。模型（3）与普朗克E模偏振数据吻合得很好，即使有大量的高红移电离尾部，超出了普朗克合作组织（2018）提出的限制。没有模型可再现EDGES特征。对于模型（3），|dTb| <~ 60 mK穿过边缘谷，一个数量级太浅，吸收开始于更高的z，但在光谱上没有特征。MHS中第三星族星的早期再电离与当前的限制是兼容的，但只有当EDGES解释被打折或其他过程，我们没有包括它。
2021-04-09 astro-ph.CO
How the first generations of luminous baryons established the X-ray and UV backgrounds
第一代天体以其辐射对我们的宇宙产生了重大影响。来自第一个源的X射线，具有大的平均自由程，可能很快加热了星系际介质（IGM）。第二代21厘米仪器可以为这个早期时代提供独特的视角。再电离的早期阶段可能随后出现，由所谓的“迷你晕”驱动，即分子冷却的晕。这些小晕容易受到复杂反馈机制的影响，特别是来自再电离之前的软紫外背景，导致再电离的早期阶段复杂且可能延长。当原子冷却的星系成为主要的电离者时，再电离可以进行得更快，这些星系对辐射反馈的敏感性比以前认为的要低。再电离可能已经减缓了在最后阶段时，电离的气泡增长大于莱曼极限吸收系统（LLS）的分离。最后阶段可能涉及LLS的光蒸发，然后调节紫外线背景的上升。我将讨论这种叙述的理论基础，以及未来的21厘米观测如何有助于阐明突出的不确定性。
2011-01-21 astro-ph.CO
The nonlinear evolution of baryonic overdensities in the early universe: Initial conditions of numerical simulations
我们运行非常大的宇宙学N体流体动力学模拟，以统计研究早期暗物质晕中的重子分数。我们批判性地研究了初始条件的差异如何影响红移范围z = 11- 21的气体分数。我们测试了三种不同的线性功率谱的初始条件：（1）一个完整的加热模型，这是我们的基准模型;根据Naoz & Barkana（2005），这个模型正确地遵循了超密度的演变，特别是包括由于来自CMB的康普顿加热引起的气体的声速的空间变化。(2)一个等δ模型，假设初始重子涨落等于暗物质的涨落，同时保持总物质的σ 8。(3)平均cs模型，假定气体的声速均匀。后两种模型在文献中经常使用。在我们的模拟中，我们计算了一个大样本的晕的重子分数。我们的基准模型表明，在再电离和显著的恒星加热发生之前，在整个形成过程中，小晕保持其大部分重子所需的最小质量约为3 * 10^4 Msun。然而，替代模型产生了错误的（高出约50%）最小质量，因为系统保留了初始条件的记忆。我们还证明了这一点，使用“过滤质量”从线性理论，准确地描述了整个模拟红移范围内的重子分数的演变。
2011-05-17 astro-ph.CO
Turbulence in Primordial Dark Matter Halos and Its Impact on the First Star Formation
Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica（中央研究院天文及天文物理研究所）；Department of Physics, National Taiwan University（国立台湾大学物理系）；Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside（加州大学河滨分校物理与天文学系）；Heidelberg Institute for Theoretical Studies（海德堡理论研究所）
利用高分辨率模拟研究原初暗物质晕中超声速湍流的驱动机制及其对气体碎裂和第一代恒星形成的影响。
2026-05-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Lessons on early structure formation from a mature galaxy cluster observed at cosmic noon
以XLSSC 122星系团为例，提出了一种通过成熟星系团在宇宙正午（z~2）间接约束早期恒星和结构形成的新方法.利用标准的Press Schechter公式，我们根据XLSSC 122星暴后星系中恒星的年龄分布（假设没有尘埃消光，用HST测光法测量），推断出恒星形成效率（恒星质量与晕质量之比）在z~20-13期间从10^-4迅速演化到0.01。在这里，我们考虑所有低质量的晕，包括迷你晕，它们是第一批恒星和星系的宿主（5*10^5 Msun < M_halo < 10^10 Msun）。我们还根据XLSSC 122中大量的z > 13的恒星形成星系，对超轻玻色子质量的模糊暗物质模型（m_a < 5*10^-21 eV/c^2）提出了新的限制。我们的探索性结果与现有的限制是一致的。如果我们的方法扩展到大样本的集群或场后星暴星系在宇宙中午，与改进的模拟晕和恒星星族，将获得更全面的结果。
2020-05-06 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Effects of Accretion Luminosity upon Fragmentation in the Early Universe
将吸积原恒星的光度公式引入到光滑粒子流体动力学模拟中，并应用该方法对宇宙学初始条件下产生的5个原始微晕进行了模拟.我们发现吸积光度延迟了晕内的碎片化，但并不能阻止它。在缓慢形成少量原恒星的晕中，吸积光度可以减少在原恒星开始电离周围环境之前形成的碎片数量。然而，快速形成许多原恒星的晕被动力学过程所控制，吸积光度的影响变得可以忽略不计。一般来说，在晕中发现的碎裂在很大程度上取决于初始条件。吸积光度并不会对原恒星的吸积速率产生实质性的影响，并且远不如动力学相互作用重要，动力学相互作用可以导致有效终止吸积的喷射。我们发现，吸积率到内部区域的磁盘（20 AU）周围的原恒星是高度可变的，相反，目前使用的模型中的人口III恒星的主序前演化的吸积率恒定或平稳下降。
2011-03-07 astro-ph.CO astro-ph.GA
Robust PCA and MIC statistics of baryons in early mini-haloes
提出了一种基于鲁棒主成分分析（RPCA）和最大信息系数（MIC）的新方法，研究晕重子性质与红移的关系。我们的数据是由一组不同的物理量的原始小晕：暗物质质量（$M_{\mathrm{dm}}$），气体质量（$M_{\mathrm{gas}}$），恒星质量（$M_{\mathrm{star}}$），分子分数（${\mathrm{x_{mol}}}$），金属丰度（$Z$），恒星形成率（SFR）和温度。我们发现，$M_{\mathrm{dm}}$和$M_{\mathrm{gas}}$的方差是占主导地位的因素，特别是在高红移。尽管如此，随着第一批恒星和后续反馈机制的出现，${\mathrm{x_{mol}}}$、SFR和$Z$开始发挥更大的作用。标准主成分分析给出的三个主成分（PC）能够解释任何红移下97%以上的数据方差（两个PC通常占不低于92%），而RPCA分析的第一个PC解释了整个红移范围内不低于84%的总方差（两个PC在任何时候都能解释$ \gtrsim 95$ %）。我们的分析还表明，所有气体性质与$M_{\mathrm{gas}}$的相关性比与$M_{\mathrm{dm}}$的相关性更强，而$M_{\mathrm{gas}}$与${\mathrm{x_{mol}}}$的相关性比与$Z$或SFR的相关性更深。这表明气体分子含量在启动恒星形成和随后的原始星系中来自第III族和第II…
2014-03-11 astro-ph.CO
Radiative Feedback from high mass X-ray binaries on the formation of the first galaxies and early reionization
最近的研究表明，第一代恒星，即所谓的第三星族（PopIII），可能主要是在双星系统中形成的，或者是作为小型多重系统的成员。在这里，我们调查的影响，X射线反馈的高质量X射线双星（HMXB）留在恒星双星系统后，主要形成一个黑洞（BH），吸积气体在一个高的速度从同伴，一个过程，被认为是有利的低金属特征的高红移气体。由于它们的大平均自由程，X射线能够在宇宙的再电离完成之前很久就预电离和预热星系际介质（IGM）和晕中的气体，因此可能强烈地影响了随后几代恒星的形成以及再电离。我们已经进行了放大的流体动力学宇宙学模拟的minihaloes，占形成的Pop III星和他们的崩溃成BH和HMXB，以及相关的辐射流体动力学反馈的UV和X射线光子。我们没有发现强有力的净反馈HMXBs的模拟恒星形成的历史。另一方面，预热的IGM的HMXB导致一个强大的抑制小规模的结构，并显着降低在IGM的重组率，从而产生一个净的正反馈再电离。我们进一步表明，HMXB的X射线反馈可以增强来自Pop III祖星的电离反馈，以抑制第一批BH上的气体吸积，限制它们成长为超大质量BH。最后，我们表明，X射线电离的HMXB留下不同的签名的性质的高红移氢，可能会在即将到来的观测的红移21厘米自旋翻转线探测。
2014-03-12 astro-ph.CO
Large Scale Suppression of Scalar Power on a Spatial Condensation
在大尺度上抑制标量功率谱是调和普朗克和BICEP 2数据之间紧张关系的一种方法。这种抑制可以通过在单场暴胀模型中引入从快卷相位到慢卷相位的相变来发生。本文考虑了三个SO（3）对称模场的变形单场暴胀模型。我们发现，空间线性解决方案的模场诱导的相变在早期阶段的膨胀和抑制的标量功率谱在大尺度扰动模式。
2015-03-04 astro-ph.CO gr-qc
Multifrequency radiation hydrodynamics simulations of H2 line emission in primordial, star-forming clouds
我们研究了原始气体的崩溃在一个minihalo三维辐射流体力学模拟，准确地模拟传输的H2线发射。为了这个目的，我们已经实现了一个多线，多频射线跟踪计划的移动网格代码Arepo，能够自适应地细化射线的基础上的Healpix算法，以及混合平衡/非平衡原始化学求解器。我们发现，一个多频治疗的个别H2线是必不可少的，因为高光学深度的小横截面的翅膀线大大增加了能量，可以逃脱。由于整体速度的多普勒频移的影响相对较小，因为云中的系统速度差通常小于声速。在初始坍缩阶段，径向平均逃逸分数符合Ripamonti和Abel的拟合相对较好。然而，一般来说，不建议使用简单的密度相关拟合函数，因为逃逸分数取决于许多因素，并且不能捕获由于辐射扩散引起的密度扰动的抑制。索伯列夫方法高估了逃逸分数超过一个数量级，因为气体的性质在小于索伯列夫长度的尺度上变化。
2014-09-05 astro-ph.CO
The inflationary universe in F(R) gravity with antisymmetric tensor fields and their suppression during the universe evolution
一个有趣的问题是，为什么目前的宇宙尺度没有任何可察觉的二阶反对称张量场的足迹？（通常称为Kalb-Ramond油田）。在四维和五维时空中，从高曲率引力的角度对这个问题给出了一个相当自然的解释。这里得到的结果表明，Kalb-Ramond场的振幅可能实际上是大的，并在早期宇宙中发挥了重要作用，而高阶引力的存在抑制了这个领域在宇宙演化过程中，使它最终变得可以忽略不计在当前的宇宙。除了抑制Kalb-Ramond场之外，$F(R)$引力中额外的自由度，通常被称为标量子，也被证明是导致暴胀的原因。这样的F（R）引力与Kalb-Ramond场可能支配早期宇宙在早期经历暴胀阶段（随后的优雅退出），比没有反对称场的F（R）引力范围更广。此外，四维和五维时空中的模型与观测约束有关，结论是谱指数和张量标量比的相应值与普朗克2018年调查数据提供的值非常匹配。
2019-02-06 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Small-scale Effects of Thermal Inflation on Halo Abundance at High-$z$, Galaxy Substructure Abundance and 21-cm Power Spectrum
我们研究了热膨胀对宇宙学结构形成的影响，并提出了可用于约束和可能探测热膨胀情景的天体物理观测值。这些是暗物质晕丰度在高红移，卫星星系在银河系的丰度，和波动的21厘米辐射背景的时代之前的再电离。热膨胀的情况下留下的物质功率谱的特征签名，通过提高在特定的波数的振幅由热膨胀（$N_{\rm bc}$）期间的e-折叠的数量确定，并强烈抑制在较小的尺度模式的振幅。对于一个合理的参数空间范围内，结果之一是在高红移和银河系卫星星系的微晕形成的抑制。虽然这种效应是实质性的，但它与其他宇宙学或天体物理学效应一起退化。21厘米背景探测器的功率谱更直接地影响这一点，由于功率谱中的特征信号，它的观测可能是限制热膨胀情景的最佳方式。如果进行10000小时的观察，第1阶段（SKA 1）中的平方公里阵列（SKA）具有足够大的灵敏度，可以实现带有$N_{\rm bc}\gtrsim 26$的模型的这一目标。最后一个阶段SKA，预计灵敏度约高一个数量级，似乎更有希望，将涵盖更广泛的参数空间。
2017-11-15 astro-ph.CO
Gravitational Recoil and Suppression of Super Massive Black Hole Seeds in the Early Universe
本文通过纳入经数值相对论校准的引力波反冲物理拓展半解析种子模型，研究其对早期宇宙超大质量黑洞增长的影响，发现反冲会降低z=6时SMBH质量并产生游荡黑洞群体，给出了对应的可观测效应。
2025-11-19 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Slow-down of expanding bubbles in the early Universe
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；CERN（欧洲核子研究组织）
研究早期宇宙第一性相变中气泡膨胀的减速效应，探讨冲击波对壁速的影响，揭示不同相变机制下气泡减速对引力波发射的抑制作用。
2026-03-23 astro-ph.CO hep-ph
