A smoother end to the dark ages
Zoltán Haiman
独立的证据表明，第一批恒星，结束了宇宙的黑暗时代，是成对出现的，而不是单独出现的。这可能会改变早期宇宙具有瑞士奶酪般外观的流行观点。
Independent lines of evidence suggest that the first stars, which ended the cosmic dark ages, came in pairs, rather than singly. This could change the prevailing view that the early Universe had a Swiss-cheese-like appearance.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
A Next Generation Deep 2 micron Survey: Reconnoitering the Dark Ages
下一代2微米巡天应该瞄准处于再电离时代的新生星系，以便在大型望远镜上进行光谱跟踪。在南极高原上的一个地点安装一架2.5米的望远镜，对于这一目的和一般的南半球红外线测量都是有利的。
Primordial Magnetic Fields in Light of Dark Ages Global 21-cm Signal
本研究结合黑暗时代全局21厘米信号，通过分析磁加热对该信号的影响，约束原初磁场的现今强度及谱指数，发现其能提供比普朗克2016更强的独立于天体物理不确定性的限制，并提出可识别非标准加热的一致性比方法。
Enlightening the dark ages with dark matter
对暗物质湮灭或衰变的限制提供了对暗物质性质的独特见解。我们说明了如何调查专门检测高度红移21厘米信号从黑暗时代将提供一个新的窗口到粒子暗物质的属性。21 cm强度映射信号及其波动对来自长寿命粒子的湮灭或衰变的能量注入敏感，其方式与其他探针互补。我们目前预测的限制，从即将到来的和下一代的无线电调查。我们表明，虽然SKA可能能够在某些情况下的检测，最有希望的机会，以检测暗物质在21厘米的强度映射信号是一个未来派的无线电阵列在月球远侧，有可能检测到一个信号的数量级弱于当前或最大的限制，从其他探测器。
Chemistry of heavy elements in the Dark Ages
原始分子是在黑暗时代形成的，即在早期宇宙中重组和再电离之间的时间。本文的目的是分析在黑暗时代的重元素的基础上形成的原始分子，元素丰度取自不同的核合成模型。我们提出了计算的完整的非线性方程组的原始化学。我们考虑了45种化学物种的演化，并使用了隐式多步方法的可变阶精度与自适应步长控制。我们发现，最丰富的黑暗时代分子的基础上的重元素是CH和OH。非标准核合成可以导致更高的重元素丰度，同时仍然满足观测到的原始轻丰度。在这种情况下，我们表明，基于C，N，O和F的分子种类的丰度可以提高两个数量级相比，标准的情况下，导致CH的相对丰度高于HD+或H2D+。
Dark ages, a window on the dark sector. Hunting for ultra-light axions
本文提出利用黑暗时代21厘米强度映射角功率谱的小尺度抑制与大尺度增强效应，预测未来射电阵列对10^-18–10^-22 eV超轻类轴子暗物质质量的约束能力。
Global signal in the redshifted hydrogen 21-cm line from the Dark Ages and Cosmic Dawn: Dependence on the nature of dark matter and modeling of first light
本文研究黑暗时代与宇宙黎明时期红移21厘米线全局信号对暗物质自湮灭/衰变参数及第一批源光谱能量分布的敏感性，指出需结合十米和米波段兼容观测才能约束暗物质与第一缕光模型。
Constraining the unexplored period between reionization and the dark ages with observations of the global 21 cm signal
用单偶极实验观测红移21厘米中性氢谱线的全球亮温的频率依赖性是可能的。在本文中，我们开发了一个Fisher矩阵形式主义计算的灵敏度，这些仪器的21厘米信号的再电离和黑暗时代。我们表明，只要局部前景可以用低阶多项式很好地建模，持续时间delta z< 2的快速再电离历史就可以受到约束。然后，它表明，在范围内的观测nu = 50 - 100 MHz可以可行地限制莱曼α和X射线发射率的第一批恒星形成在z = 15 - 25，只要系统的温度残差可以控制到小于1 mK。最后，我们证明了从恒星形成前的黑暗时代检测21厘米信号的困难。
Dark Cosmology: Investigating Dark Matter & Exotic Physics in the Dark Ages using the Redshifted 21-cm Global Spectrum
由红移21厘米信号探测到的黑暗时代是对标准LCDM宇宙学模型进行新的严格检验的理想时期。与该模型的分歧将表明新的物理学，如暗物质衰变（加热）或重子冷却超出了宇宙绝热膨胀的预期。在早期宇宙中，大多数重子物质都是以中性氢（HI）的形式存在，可以通过其基态的自旋翻转跃迁来检测。对红移21厘米光谱的测量映射了HI气体从黑暗时代到宇宙黎明直到再电离时代（EoR）的历史。探测全球EoR信号的实验（EDGES）最近报道了一个78 MHz的吸收谷（红移z为17），与宇宙黎明的预期频率相似，但比标准宇宙学和HI绝热冷却所认为的可能深度深3倍。重子和带有类似电子质量的轻微带电的暗物质粒子之间的相互作用为这种差异提供了一种可能的解释，但其他冷却机制也正在研究中，以解释这些结果。宇宙黎明谷受到宇宙学和第一个发光物体的复杂天体物理历史的影响。另一个低谷预计在黑暗时代，在第一批恒星形成之前，因此完全由宇宙学现象（包括暗物质）决定。在月球背面或轨道上的观测可以研究这个原始时期（15-40 MHz; z=100-35），这是从地球无法到达的。一个单一的交叉偶极天线或紧凑的阵列可以测量21厘米光谱的振幅，以区分（在>5 $σ$ }）标准宇宙学模型从额外的冷却来自当前的EDGES结果所需的水平。这一观察构成了对黑暗时代奇异物理学的有力而清晰的探索。
The magnitude of the dark ages 21-cm signal in the context of existing early and late time constraints on $Λ$CDM
本文基于现有早期和晚期宇宙学约束，研究暗年代21厘米信号的幅度，确定其深度和中心频率的精度。
Heating of Baryons due to Scattering with Dark Matter During the Dark Ages
我们探讨了在黑暗时代的21厘米信号的暗物质和重子之间的弹性散射的影响。特别是，我们考虑了一个暗物质-重子相互作用的$σ= σ_0 v^{-4}$的形式的横截面，在这种情况下的暗物质和重子流体之间的阻力的影响增长与时间。我们发现，与以前认为的相反，这种效应由于暗物质和重子之间的相对速度而加热了重子。这产生了额外的波动源，这可能使相互作用更容易通过21厘米测量而不是通过使用宇宙微波背景和莱曼- $α$森林来检测。我们的预测表明，通过下一代实验，可以探测到$σ_0\sim 3\times 10^{-42}$ cm $^2$（对于$m_χ\ll 1$ GeV）和$σ_0\sim 2 \times 10^{-41}\ (m_χ/10\, \rm GeV)$ cm $^2$（对于$m_χ\gg 1$ GeV），并通过未来实验改进为$σ_0\sim 4\times 10^{-44}$ cm $^2$（对于$m_χ \ll 1$ GeV）和$σ_0\sim 4 \times 10^{-43}\ (m_χ/10\, \rm GeV)$ cm $^2$（对于$m_χ\gg 1$ GeV）。
Signature of primordial non-Gaussianity on 21-cm power spectrum from dark ages
我们研究了原始的非高斯印记在黑暗时代的21厘米线差分亮度温度的功率谱的签名。利用引力团簇的微扰处理，我们定量地估计了非高斯和单圈修正对21厘米功率谱的影响。基于Fisher矩阵分析，研究了使用21-cm功率谱对局部型原始非高斯性的约束的潜在影响。结果表明，对于基线为几十公里的阵列，21 cm功率谱对原始非高斯性的抑制作用比宇宙微波背景测量的更强，且其抑制作用强于21 cm双谱，但在极限情况下，21 cm双谱的抑制作用最终会变得更强.
The Impact of Foregrounds on Dark Ages Measurements with the Highly Redshifted 21 cm Line
本研究分析高红移下21 cm宇宙学中的前景楔形效应，发现其比再电离纪元更显著，前景规避会损失一个量级灵敏度，指出需前景减除才能用近期可行的实验开展黑暗时代21 cm宇宙学研究。
Primordial black holes and the velocity acoustic oscillations features in 21 cm signals from the cosmic Dark Ages
研究原初黑洞在宇宙黑暗时期通过吸积气体释放辐射，影响宇宙辐射场和星际介质热状态，通过速度声学振荡特征探测原初黑洞。
Constraining exotic dark matter models with the dark ages 21-cm signal
本研究利用黑暗时代21厘米信号约束ERB和mDM两种奇异暗物质模型，分析了全球信号及功率谱的探测与区分显著性，论证了相关实验的科学价值。
Measuring the 21 cm Global Brightness Temperature Spectrum During the Dark Ages with the SCI-HI Experiment
我们提出了一个更新的SCI-HI实验，旨在测量全天空（全球）21厘米的亮度温度在黑暗时代结束。讨论了2013年6月初步观察的结果，以及系统改进和计划的未来工作。
Probing the Cosmic Dark Ages with the Lunar Crater Radio Telescope
宇宙黑暗时代代表了宇宙早期演化的时期，从CMB光子与物质脱钩后立即开始，并以第一批恒星和星系的形成结束。来自中性氢原子的HI信号是我们理解宇宙历史中这一关键阶段的唯一机制，也是我们回答关于标准宇宙学模型、暗物质物理学和暴胀有效性的基本问题的唯一机制。由于宇宙学的红移，这个信号现在只能在3-30 MHz的频带内观察到，这是由电离层阻止到达地球表面。在本文中，我们提出了设计的月球陨石坑射电望远镜，打算进行前所未有的测量，通过部署一个反射镜大小的抛物面反射器网内的月球陨石坑在月球的远侧和悬挂在其焦点的接收器的信号。
Testing the growth of cosmic structures during the Dark Ages
本文研究未来地球与月球背面21厘米谱线强度映射巡天在红移30到200范围内约束宇宙结构增长的能力，表明月球背面观测在前景处理稳健时可达到亚百分比精度，从而为早期暗能量和nDGP等偏离ΛCDM的模型提供严格检验。
Sensitivity of the redshifted 21 cm signal from the Dark Ages to parameters of primordial magnetic fields
研究分析了原始磁场参数对红移21厘米信号的敏感性，揭示了其对黑暗时代宇宙热历史和电离过程的影响。
Prospects for precision cosmology with the 21 cm signal from the dark ages
本文量化了利用黑暗时代21厘米信号在标准宇宙学中的精度收益，表明不同积分时间和接收面积下可显著约束宇宙学参数、氦丰度和中微子质量，并为未来月球及空间实验设定基准。
A Designer's Guide to Lunar Far-Side Interferometer Array: Power Spectrum Measurement and Cosmological Constraints from the Dark Ages
本文通过量化月球背面干涉仪阵列的设计要求，预测了利用21厘米功率谱测量约束暴胀模型的能力，并分析了热噪声对高红移和小尺度模式的侵蚀效应。
Thermal and Resonant Emission of Dark Ages Halos in the Rotational Lines of HeH$^{+}$
我们分析了宇宙中最早的化合物之一氦氢化物离子（HeH $^{+}$）的旋转谱线中暗时代晕的CMB辐射的热发射和共振散射。通过计算HeH $^{+}$与氢原子的非弹性碰撞的最低五个转动态的激发/去激发截面和速率系数，评估了黑暗时代晕的光学深度、热亮度温度和共振亮度温度以及光谱通量。结果表明，在黑暗时代，中性氢原子和电子的碰撞激发/去激发是竞争性的，而在更密集的区域，例如，在晕中，与原子氢的碰撞的贡献占主导地位。我们证明了HeH $^{+}$谱线中晕发光的峰状时间依赖性。
Impact of inhomogeneous CMB heating of gas on the HI 21-cm signal during dark ages
中性氢（HI）红移21厘米信号的观测似乎是宇宙暗时代最有希望的探测。该信号携带有关星系际介质（IGM）热状态和密度分布的信息。宇宙微波背景辐射（CMBR）通过与带电粒子的相互作用，在决定IGM中HI气体的动力学和自旋温度方面起着重要作用。空间波动的电离分数，这是由不均匀的重组，导致从CMBR到IGM气体的热传递不均匀。我们重新审视这种不均匀的热传递的空间波动的影响，在所观察到的HI 21厘米信号在一个大的红移范围内，在黑暗时代。我们的研究表明，这种效应对HI自旋温度的波动产生负面影响，并导致HI 21-cm功率谱的增强。我们发现，在气体动力学温度耦合到CMBR以完全与其解耦的过渡期间，即，在红移范围$30 \lesssim z \lesssim 300$。发现在HI功率谱的平均值上，$P_{T_b}(k, z)$分别在红移$60$，$90$，$140$和$200$处被$\sim 4\%$，$\sim10 \%$，$\sim 20\%$和$\sim 30 \%$增强，在$k=0.1 \, {\rm Mpc}^{-1}$处被$200$增强。在较低的$k_{\parallel}^2/k^2$值下，由于特有速度的优势降低，该效应变得更加显著。观察到$\sim 49\%$和$\sim 93\%$分别在$k_{\parallel}^2/k^2=0$的$k=0.1 \, {\rm Mpc}^{-…
Probing the First Stars and Black Holes in the Early Universe with the Dark Ages Radio Explorer (DARE)
本文提出了一个新的天基宇宙学任务的概念，称为黑暗时代无线电探索（DARE）。DARE的科学目标包括：（1）第一颗恒星是什么时候形成的？(2)第一个吸积黑洞是什么时候形成的？(3)重生是什么时候开始的？(4)黑暗时代的结束有什么惊喜（例如，暗物质衰变）？DARE将使用中性氢的高度红移超精细21厘米跃迁来跟踪第一个发光物体的形成，这些物体是在黑暗时代结束和宇宙黎明期间（红移z=11-35）撞击星系间介质而形成的。它将测量大爆炸后8000万至4.2亿年未探索时期中性氢的天空平均自旋温度，提供最早的恒星和星系照亮宇宙的第一个证据，并测试我们的星系形成模型。DARE的方法是在40-120 MHz的无线电带通上测量天空平均的红移21厘米信号的预期光谱特征。DARE的任务寿命为3年，在月球轨道上运行，并在月球背面上方采集数据，月球背面是太阳系内唯一被证明没有人为射频干扰和任何重要电离层的地方。科学仪器由一个三元件辐射计，包括电短，锥形，双锥形偶极天线，接收器和数字光谱仪组成。天线的平滑频率响应和使用马尔可夫链蒙特卡罗技术的差分光谱校准方法将用于探测在强烈的太阳系和银河前景辐射存在的情况下的微弱宇宙21厘米信号。
Astro 2020 Science White Paper: Fundamental Cosmology in the Dark Ages with 21-cm Line Fluctuations
黑暗时代是宇宙微波背景的最后一次散射和第一个光源出现之间的时期，跨度约为1100 < z < 30。唯一已知的测量这个时代波动的方法是通过中性氢的21厘米线。这样的观测在宇宙学上具有巨大的潜力，因为它们跨越很大的体积，而波动即使在小尺度上也保持线性。因此，在这一时期对21厘米波动的观测可以限制我们宇宙的基本方面，包括膨胀和任何暗物质的奇异物理。虽然这些低频21厘米观测的观测挑战是巨大的，特别是来自地球环境的挑战，但它们代表了宇宙学的一个重要目标。
The ages of stellar populations in a warm dark matter universe
通过一个星系形成的半解析模型，我们展示了如何通过假设DM功率谱具有小尺度截止来影响当地观测到的年龄和星系恒星质量之间的关系。我们比较了通过两个λ-冷暗物质（LambdaCDM）和λ-暖暗物质（LambdaWDM）功率谱-抑制相对于LambdaCDM在1百万秒差距以下的尺度得到的结果。我们表明，在一个LWDM宇宙学与热遗迹粒子质量为0.75千电子伏，无论是质量加权和光度加权的年龄-质量关系是陡峭的比那些在一个Lambda CDM宇宙，更好地与观测到的关系。此外，观察到的差异和累积年龄分布更好地再现在一个LambdaWDM宇宙学。在这样的情况下，恒星的形成出现全球延迟相对于λ CDM，特别是在低质量星系。模型结果和观测结果之间很难完全一致，这要归咎于我们目前对重子物理学的理解不足。
Wedge-avoidance Fisher Forecasts for Primordial Features from Dark-Ages 21-cm Power Spectrum and Bispectrum
开发楔形感知的Fisher框架，预测月球背面阵列对振荡特征暴胀模型中原初非高斯性的约束，发现楔形回避显著削弱约束能力。
Revisiting dark energy models using differential ages of galaxies
在这项工作中，我们使用一个测试的基础上的差异年龄的星系区分的暗能量模型。正如Jimenez和Loeb所提出的，星系的相对年龄可以用来限制各种宇宙学参数。在同一静脉，我们重建$H_0dt/dz$和它的衍生物（$H_0d^2t/dz^2$）使用一个模型独立的技术，称为非参数平滑。基本上，$dt/dz$是物体年龄的变化，作为红移的函数，与哈勃参数直接相关。因此，为了重建该量，我们使用最新的$H(z)$数据。进一步，我们计算了Phantom，Einstein de Sitter（EdS），$Λ$ CDM，Chevallier-Polarski-Linder（CPL）参数化，Jassal-Bagla-Padmanabhan（JBP）参数化和Feng-Shen-Li-Li（FSLL）参数化等模型的$H_0dt/dz$及其导数.我们检查这些模型的一致性，从数据中获得的模型无关的方式重建的结果。据观察，作为工具的$H_0dt/dz$不能区分$Λ$ CDM、CPL、JBP和FSLL参数化，但正如预期的那样，EdS和Phantom模型显示出与重建结果的明显偏差。此外，各种暗能量模型的$H_0dt/dz$的导数在低红移处更敏感。在红移小于$0.5$时，FSLL模型与重建结果不一致，而$Λ$ CDM模型与重建的3个$σ$区域一致.
On Problems with Cosmography in Cosmic Dark Ages
类星体在Ia型超新星之外的高红移窗口中显示出相当大的希望作为标准烛光。最近，Risaliti，Lusso \&合作者\cite{Risaliti:2018reu, Lusso:2019akb, Lusso:2020pdb}已经成功地产生了一个高红移哈勃图（$ z \lesssim 7$），支持“一种趋势，即标准平坦$Λ$ CDM模型可以很好地再现类星体的哈勃图，直到$z \sim 1.5-2$，但在更高的红移出现强烈的偏差”。这个结论取决于光度距离的对数多项式展开。在本说明中，我们证明了这种扩展（或其“改进”）通常只能信任到$z \sim 1.5-2$。因此，扩展有效性的故障可能被误解为与平坦$Λ$ CDM的（幻影）偏差。我们通过模拟数据的例子进一步说明了这个问题。
Bounds on Dark Matter Annihilation Cross-sections from Inert Doublet Model in the context of 21 cm Cosmology of Dark Ages
我们在Inter Doublet模型（IDM）中研究了21 cm信号$δT_{21}$在暗年龄（$z\sim100$）和一个暗物质候选者的亮温起伏。然后，我们探讨IDM暗物质的不同部分对$δT_{21}$信号的影响。IDM的暗物质质量选择在几十GeV的区域，以及在500 GeV以上的高质量区域。已经观察到，$δT_{21}$信号在$70 - 80$ GeV的暗物质质量范围内更敏感。通过对$δT_{21}$信号的分析，得到了暗物质湮灭截面的下限。这被发现位于IDM暗物质质量范围$10 \, {\rm GeV} \leq m_χ\leq 990 \,{\rm GeV} $的范围$6.5 \times 10^{-29} \,\, \rm{cm^3 / sec} \leq \langleσv\rangle \leq 4.88\times 10^{-26}\,\, \rm{cm^ 3 / sec}$内。
The first molecules in the intergalactic medium and halos of the Dark Ages and Cosmic Dawn
我们研究了在黑暗时代和宇宙黎明时期第一批分子的形成和破坏，以评估分子线中原星系团（晕）的光度。宇宙学复合使用有效三能级原子模型来描述，而分子的化学性质则使用相关的基本动力学方程来考察。然后，我们研究了分子的碰撞和辐射激发对分子发射强度的影响，在温暖和热晕。利用普朗克星系际介质在z~6-8处的再电离数据，计算了宇宙黎明期出现的四种热光源的光能量密度上限。假设在晕圈中，光的能量密度可能基本上甚至更高，我们估计了来自第一光源的光对第一分子的形成和破坏的影响。我们表明，分子H2和HD被破坏的光解过程前不久，充分的再电离在中间的晕介质中，在介质中的两种类型的晕和第一光的所有模型。同时，氦氢离子的数密度，HeH+，显示出本质上更复杂的依赖于晕的动力学温度和第一光的模型。此外，我们估计的差分亮度温度的个别晕在旋转线的H2，HD和HeH+分子在红移对应的黑暗时代和宇宙黎明时期。它不超过微开尔文，但它的探测可能是关于在黑暗时代和宇宙黎明时期第一批恒星和星系形成之初发生的物理过程的重要信息来源。
Halos in Dark Ages: formation and chemistry
在相对论流体力学近似下，分析了在暗时代由初始球形扰动形成的晕在一个四分量宇宙（暗物质、暗能量、重子物质和辐射）中的形成。每个组件的密度和速度扰动的演变是通过集成的九个微分方程系统从$z=10^8$维里化，这是唯象描述。结果表明，质量为$M\sim10^8-10^9\,\mathrm{M_{\odot}}$的暗物质晕在$z\sim10$维里化后的数密度与同动坐标系中星系的数密度接近。经典标量场类型的动力学暗能量对其他分量的演化没有显著影响，但具有较小有效声速值的暗能量可以影响最终的晕态。同时，第一分子的形成/解离已经在形成的晕中进行了分析。结果表明，分子$\rm{H_2}$和$\rm{HD}$在晕维里化时刻的数密度分别是均匀膨胀背景下的$\sim10^3$和$\sim400$倍。这是由于在密度和速度的重子分量的晕的准线性和非线性演化阶段的密度和反应速率的增加。它还表明，温度历史的晕是重要的计算低结合能的分子离子的浓度。因此，在维里温度为$\sim10^5$ K的晕中，分子离子HeH $^+$的数密度大约比宇宙学背景下的小100倍。
After the Dark Ages
在回顾了宇宙学中的一些难题并简要回顾了弗里德曼-勒梅特宇宙之后，描述了一个简单的“黑暗区”统一模型。这个模型涉及一个标量场和一个赝标量轴子场，它们分别以"精粹“和"模糊”暗物质的形式产生暗能量。该模型的预测有关的宇宙的后期演化和可能的影响的问题，观察到的物质反物质不对称性的宇宙中勾勒。
Cosmological bounds on dark matter annihilation using dark ages 21-cm signal
本文研究了暗物质湮灭对黑暗时代21-cm信号的影响，通过评估气体热和电离历史并考虑未来月球实验及宇宙学参数的不确定性，导出了暗物质湮灭截面的保守上限，该约束强于Planck数据对低质量暗物质的限制。
Revisiting constraints on superconducting cosmic strings in light of Dark Ages global 21-cm signal
本文同时考虑衰变超导宇宙弦的电离与射电辐射，利用黑暗时代全球21厘米信号在$z\sim89$处偏离ΛCDM的变化，给出衰变效率参数上限。
The Dark Ages of the Universe and Hydrogen Reionization
宇宙历史上的里程碑之一是第一个发光物体的形成和氢的再电离。宇宙结构形成的标准理论预测，第一代恒星在大爆炸后大约几亿年诞生。然后，黑暗的宇宙再次被点亮，最终充满了从恒星、星系和类星体发出的紫外光子。宇宙再电离的确切时期和过程的细节，甚至主要来源，除了宇宙早期被再电离的事实外，还不知道。再电离的特征预计会在宇宙微波背景辐射中留下印记，特别是在它的大尺度极化中。未来的CMB实验，连同其他探测器，如21厘米的调查，将提供丰富的信息，再电离过程。我们回顾了最近关于再电离的研究。从现有的观测在很宽的波长范围内的影响进行了讨论。最先进的计算机模拟的结果。最后，我们讨论了探索宇宙历史最初几亿年的前景。
Detecting the 21 cm Signal of the Cosmic Dark Ages
本文通过21cmSense模拟月球背面射电阵列设计，提出基于FarView修改的基准方案，证明短基线是实现黑暗时代21厘米功率谱高灵敏度探测的关键因素。
Redshifted 21-cm emission signal from the halos in Dark Ages
本文分析了热暗物质模型中暗时代质量为$\sim10^6-10^{10}$ M $_\odot$的晕中氢原子21 cm超精细结构谱线的发射。这些晕被认为是由$10\lesssim z\lesssim50$的宇宙学密度扰动的高斯密度峰形成的。在多组分模型中形成单个球形晕的半解析模拟表明，在坍缩晕的绝热压缩下，其中的气体具有$60-800$ K范围内的动力学温度，并且每个晕的温度取决于维里化的时间。结果表明，中性氢原子间的非弹性碰撞是超精细结构能级的主要激发机制，使自旋温度向动力学温度靠拢。单个晕的亮度温度在1-10 K之间，取决于晕的质量和它的维里化红移，并且随着这两者的增加而增加。这种晕的视角半径在0.06-1.2角秒的范围内，它们的表面数密度从最低质量的几个每角分$^2$和红移到更高值的几乎为零呈指数下降。假设一个1 MHz的观测带宽的表面数密度的晕在不同的红移进行评估，以及波束平均差分天线温度和流量的氢发射从晕的不同质量。光束平均信号强烈地依赖于可能由WDM粒子的自由流动引起的黑暗时代晕的质量函数中的截止尺度。这一发现进行了比较与上限的氢21厘米线波动的功率谱的振幅来自最近的观测数据与MWA和LOFAR。
Formation of the hydrogen line 21-cm in Dark Ages and Cosmic Dawn: dependences on cosmology and first light
本文计算黑暗时代、宇宙黎明和再电离时期氢21厘米全球差分亮温，揭示其对宇宙学参数、非标准物理及首批光源光谱能量分布的依赖。
Observable cosmological vector mode in the dark ages
在宇宙学扰动理论中，一阶标量模的耦合不可避免地会产生二阶矢量模，这可能会阻碍21 cm透镜观测对暴胀产生的原初引力波的探测。本文通过将21 cm透镜信号的偏转角分解为梯度模和旋度模，研究了二阶矢量模诱导的暗时代中性氢原子发射的21 cm光子中的弱透镜信号。旋度模是宇宙学矢量模和张量模的一个很好的示踪剂，因为标量模不诱导旋度模。通过比较二阶矢量模诱导的21 cm透镜旋度模与张量标量比为$r$的原初引力波的角功率谱，发现在$r \lesssim 10^{-5}$的情况下，二阶矢量模诱导的21 cm旋度模在几乎所有尺度上都优于原初引力波.如果我们使用功率谱的多极子直到$\ell_{\rm max} = 10^{5}$和$10^{6}$来从21 cm温度图重建卷曲模式，则从二阶矢量模式重建的21 cm卷曲模式的信噪比分别达到${\rm S/N} \approx 0.46$和$73$。原则上，21厘米辐射的观测不仅是探索张量模式的有力工具，也是探索宇宙学矢量模式的有力工具。
Magnetized LambdaCDM inhomogeneities and the cosmic dark ages
在磁化LambdaCDM方案的扰动方程的精确解。它们适用于黑暗时代，更具体地说，在重子从光子的拖曳中释放出来之后。磁化增长率的物质扰动的增长指数得到的一致性范式和假设下，暗能量不集群的红移窗口范围从时代的再电离阶段的暗能量占主导地位。从这个分析中得出的约束是定性互补和定量竞争的边界所产生的扭曲图案的分析磁化绝热模式的温度和偏振各向异性的宇宙微波背景。
Signal in the Hyperfine Structure Line of the Ground State of Atomic Hydrogen from the Dark Ages as a Cosmological Test
本文计算标准与非标准宇宙学模型中黑暗时代21 cm全局信号，提出其可检验暗物质衰变、湮灭及原始磁场等非标准物理。
Impact of radiation from primordial black holes on the 21-cm angular-power spectrum in the dark ages
我们研究了原始黑洞（PBH）辐射的影响，在$10^{15} \lesssim M_{\rm PBH} \lesssim 10^{17}~\rm g$和$10^{2} \lesssim M_{\rm PBH} \lesssim 10^{4}~M_{\odot}$的质量范围内，在黑暗时代的21厘米角功率谱。在前一个质量范围内的PBH通过称为霍金辐射的蒸发影响21厘米角功率谱，而在后一个质量范围内的吸积过程的辐射。在暗时代，PBH的辐射可以增加星系际介质的电离度和温度，改变全球21厘米亮温差，进而影响21厘米角功率谱。考虑到PBH的影响，我们发现，在黑暗时代，$30 \lesssim z \lesssim 100$，21厘米角功率谱的振幅降低依赖于质量和质量分数的PBH。我们还研究了未来在月球轨道或月球背面的射电望远镜中，以暗物质形式存在的多环芳烃质量分数的潜在限制。
Energy Injection And Absorption In The Cosmic Dark Ages
暗物质湮灭或去激发、亚稳态物质的衰变或其他新的物理学可以在复合期间和复合之后将高能电子和光子注入光子-重子流体。当这些粒子冷却时，它们将能量分成大量有效电离的电子和光子，这反过来又改变了电离历史。最近的工作提供了一个简单的方法来约束任意的能量沉积的历史，使用宇宙微波背景（CMB），在这份说明中，我们目前的结果描述的能量沉积的历史，光子和电子作为初始能量和注入红移的函数。利用这些结果，可以立即计算出任何注入任意谱的电子、正电子和/或光子的过程的CMB边界，这些谱具有任意的红移依赖性。
Reaching small scales with low frequency imaging: applications to the Dark Ages
早期宇宙中密度扰动的初始条件，决定了我们今天看到的星系的大尺度结构和分布，是在暴胀期间设定的。原始非高斯性的测量对于区分不同的暴胀模型至关重要。目前对CMB物质功率谱的测量仅将其限制在$k\sim 0.1$ Mpc $^{-1}$的尺度上。达到更小的角度尺度（更高的$k$值）可以提供对非高斯性的新约束。一种有效的方法是在$z\gtrsim30$上测量$\textrm{H}\textrm{I}$物质功率谱。在本文中，我们调查什么值的$k$可以达到低频阵列（LOFAR），它可以达到$\lesssim$ 1 $''$ $\,$分辨率在$\sim$ 50 MHz。结合这一技术，以隔离的光谱平滑前景的一个楔形在$k_{\parallel}$ - $k_{\perp}$空间，我们展示了什么样的$k$值，我们可以切实可行地达到观测的限制。我们发现，LOFAR是$\sim$ 5个数量级远离所需的灵敏度，为10年的集成时间。
Distortion of the CMB spectrum by the first molecules of the Dark Ages
本文通过166个化学反应和振转能级跃迁动力学，计算了黑暗时代首批分子H$_2$、HD和HeH$^+$对CMB谱的吸收畸变，并给出各分子的频率、强度和红移范围。
The Dark Ages' 21-cm Trispectrum
我们调查断层扫描的21厘米亮度温度波动在黑暗时代作为探针约束原始非高斯。我们扩大了21厘米的亮度温度立方阶微扰理论和改进以前的模型的信号包括自由电子分数的影响。利用包括重子压力效应在内的改进的标准微扰理论方法，我们导出了改进的二次双谱，并首次导出了21厘米亮温涨落的二次三谱。然后，我们预测了从黑暗时代可获得的信息量，以约束原始的非高斯性，包括在暴胀过程中大质量粒子交换的印记，我们确定了由于次级非高斯性而丢失了多少信号。我们发现，虽然二次非高斯淹没原始信号，原始非高斯仍然可以提取的信噪比，超过当前和未来的CMB实验的几个数量级，这取决于实验设置。此外，我们的结论是，对于大质量粒子交换边缘化的其他原始形状的双谱和三谱影响信噪比更严重比二次形状。重子压力效应对我们的预测结果的影响可以忽略不计，即使在接近金斯尺度的尺度上也是如此。这项工作的结果加强了从黑暗时代的21厘米亮度温度波动作为原始非高斯的最终探测器的前景。
Indirect Dark Matter Signatures in the Cosmic Dark Ages I. Generalizing the Bound on s-wave Dark Matter Annihilation from Planck
普朗克最近对宇宙微波背景辐射各向异性的测量提供了一个探测宇宙暗时代暗物质湮灭的灵敏探针，并特别限制了湮灭参数$f_\mathrm{eff} \langle σv \rangle/m_χ$。使用新的结果（文件II）的电离产生的粒子注入在任意能量，我们计算并提供$f_\mathrm{eff}$值的光子和$e^+e^-$对注入keV-TeV的能量; $f_\mathrm{eff}$值的任何暗物质模型可以直接通过加权这些结果的湮没产物的光谱。这一结果允许敏感和强大的约束暗物质湮灭提出的普朗克合作被应用到任意暗物质模型与$s$波湮灭。我们证明了这种方法的有效性，使用主成分分析。作为一个例子，我们整合了一系列的标准模型最终状态的湮没产物的光谱，以确定这些模型的CMB边界作为暗物质质量的函数，并证明了新的限制一般排除模型提出解释所观察到的高能上升的宇宙射线正电子分数。我们在http://nebel.rc.fas.harvard.edu/epsilon上公开我们的结果。
Illuminating the dark ages: Cosmic backgrounds from accretion onto primordial black hole dark matter
冷暗物质作为不同质量的原始黑洞（PBH）的总和，可以解释许多未解的天体物理之谜。在这里，我假设一个广泛的PBH质量分布提供了大部分的暗物质，符合所有的限制和估计的重子吸积到PBH有助于宇宙背景辐射，主要是宇宙X射线和宇宙红外背景波动之间的相关信号深钱德拉和斯皮策调查。我假设Bondi捕获和平流占主导地位的磁盘吸积与合理的重子密度和有效的相对速度之间的重子和PBH，以及适当的吸积和辐射效率，并整合在PBH质谱和宇宙时间。X射线贡献确实与残余X射线背景信号和X射线/红外波动一致。通量峰值在z~17-30处，与要求信号来自高红移的约束一致。PBH对红外背景涨落的贡献仅为1%左右。磁场是邦迪捕获过程中的一个基本要素，而PBH可以在放大早期种子场并维持它们直到银河发电机过程开始的过程中发挥作用。假定的PBH粒子数对宇宙再电离历史的贡献与普朗克电离极限并不冲突。来自PBH的X射线加热可以对星系群的熵底做出贡献。EDGES红移的21厘米吸收线特征可以与宇宙背景辐射的无线电贡献联系起来。最后，中等质量黑洞的数量和银河系中心弥漫的X射线辐射与假设的PBH暗物质是一致的。在钱德拉对银河脊最深处的观测中，一些离散源确实可能是吸积的PBH。
Redshifted 21-cm Signals in the Dark Ages
我们已经进行了半解析模拟，以建立在黑暗时代的红移21厘米的地图。采用熵底模型在模拟的微晕中植入原星系。该模型分配气体量，如重子质量和温度的每一个$N$体粒子，并广泛利用粒子性质的数据在随后的分析。我们发现，在早期宇宙中模拟的小晕的数密度是很好的描述Sheth & Tormen函数，因此模拟的小晕的信号功率远远大于Furlanetto（2006 b）提出的Press & Schechter预测。尽管在$z=15$测量的晕粒子的物质功率谱比星系际介质（IGM）小一个数量级，但相反，晕的21厘米信号波动比嵌入绝热IGM的尺度$k\lesssim 10 h{\rm Mpc}^{-1}$高一个数量级。但它们的光谱形状几乎相同。我们发现，大尺度下绝热信号功率介于无限自旋温度模型（$T_s\gg T_{\rm cmb}$）和均匀自旋温度等于背景值模型（$T_s = T_s^{bg}$）的线性预测之间。较高的预热温度（或较高的背景熵）使得信号的功率谱更加平坦，因为较热的IGM信号更加热加宽，并且在小尺度上占主导地位的微晕波动被较高的背景熵更严重地抑制。因此，这种依赖于模型的功率谱斜率测量的尺度上的$100\le k \le 1000 ~h{\rm Mpc}^{-1}$将使我们能够很容易地确定一个最佳匹配的晕+ IGM模型在未来的观测。
Enhanced Small-Scale Structure in the Cosmic Dark Ages
本文研究小尺度功率谱增强的暗物质模型，发现非线性结构可在极高红移大量形成，暗物质湮灭增强，首批恒星形成晕提前，并探讨早期宇宙观测的约束。
Simulated differential observations of the Sunyaev-Zel'dovich Effect: Probing the Dark Ages and Epoch of Reionization
本工作提出了一种分析方法来研究宇宙学21厘米背景信号从黑暗时代（DA）和随后的时代的再电离（EoR）。我们模拟了一个星系团的差分观测，以演示如何用一种称为SZE-21 cm的特殊形式的Sunyaev-Zel'dovich效应来研究这些时代。这项工作产生了SZE-21 cm的模拟地图，并表明SZE-21 cm可以从未来的观测中提取，如氢时代再电离阵列（HERA）和平方公里阵列（SKA）。为了模拟接近现实的场景，我们研究宇宙方差噪声，纳入并考虑前景，热噪声和角分辨率的影响，为我们的模拟观测。我们进一步扩展这种探索平均超过一个样本的星系团，以减轻宇宙方差和仪器噪声的影响。点源污染的影响也进行了研究。最后，我们将这种技术应用于EDGES合作的结果，该合作在2018年报告了以78 MHz为中心的全球21 cm背景信号的吸收特征。为了实现这项工作的目标，需要解决的挑战包括由于宇宙变化、仪器噪声和点源污染而产生的误差。我们的方法证明了SZE-21 cm作为DA和EoR的间接探测器的潜力，并且我们得出结论，SZE-21 cm的光谱特征从我们的模拟观测中产生的结果接近先前的理论预测，并且SZE-21 cm可以用于测试EDGES探测的有效性。
hyprfine: simulating the 21-cm signal from the Dark Ages through to the Epoch of Reionization on a GPU
hyprfine是首个基于JAX和Python的解析性GPU原生模拟，用于快速计算从黑暗时代到再电离纪元的21-cm信号，并支持微分。
Primordial non-gaussianity from the bispectrum of 21-cm fluctuations in the dark ages
原始非高斯性的测量对于区分不同的暴胀模型至关重要。宇宙微波背景（CMB）的各向异性观测对非高斯参数f_NL设定了前所未有的界限，但令人感兴趣的区域f_NL <~ 1是他们无法达到的。在黑暗时代（z ~ 30-100）的21厘米线的亮度-温度波动是一个有前途的继承CMB研究，使访问到更多的模式。然而，它们本质上是非线性的，这导致次级非高斯性的数量级大于所追求的原始信号。在本文中，我们仔细计算的初级和次级双谱的21厘米波动的小尺度。我们使用平天形式主义，这大大简化了分析，同时在小角度尺度上仍然非常准确。我们表明，二次双谱是高度退化的原始的，并认为，即使是在前一个振幅的10-水平的不确定性导致的偏差的顺序Δ f_NL ~ 10。为了解决这个问题，我们进行了详细的Fisher分析，边缘化的幅度的一些光滑红移相关系数特征的二次双谱。我们发现，一个单一的红移切片的信噪比减少了约5倍的情况下，没有二次非高斯。撇开前景污染，我们预测，在0.1 MHz带宽和0.1弧分角分辨率下观测30 < z < 100的21 cm涨落的宇宙方差限制实验可以实现f_NL[局部] ~ 0.03，f_NL[等边] ~ 0.04和f_NL[正交] ~ 0.03的灵敏度。
High-z gamma-ray bursts for unraveling the dark ages mission HiZ-GUNDAM
我们目前正在调查和研究一个小型卫星任务HiZ-GUNDAM，用于今后观测伽马射线暴。任务概念是探测“黑暗时代的结束和天体形成的曙光”，即红移z > 7以外的早期宇宙的物理条件。我们将考虑两种类型的任务有效载荷，（1）用于发现GRB的宽视场X射线成像探测器，以及（2）直径为30 cm的近红外望远镜，以有效地选择高z GRB候选者。本文根据以往的观测资料，阐述了推进伽玛暴宇宙学研究的一些必要条件，介绍了HiZ-GUNDAM的任务概念和X射线成像探测器的基本进展。
Quantifying Foreground Contamination in the Dark Ages 21 cm Power Spectrum Using an Electromagnetically Simulated Dipole Antenna Atop a Dielectric Surface
研究利用电磁模拟偶极天线量化黑暗时代21厘米功率谱中的前景污染问题。通过模拟可见度测量值，考虑天线波束、天空模型等，研究月球风化层变化影响，发现风化层特性影响前景功率抑制，强调准确建模前景和风化层的重要性。
Reionization during the dark ages from a cosmic axion background
最近有人指出，后暴胀时期重场的原始衰变将产生相对论性类轴子粒子（ALP）的宇宙背景，从而导致今天宇宙中的额外辐射。原始磁场会在黑暗时代触发这些ALP转化为亚MeV光子。这种光子流会使宇宙早期再电离，在总光学深度上留下一个显著的印记，以重新组合$τ$。利用$τ$的电流测量和普朗克实验对额外辐射含量$ΔN_{\rm eff} $的限制，我们对ALP-光子转换提出了一个强的限制。也就是说，我们得到的产品上的上限的光子ALP耦合常数$g_{aγ}$倍的磁场强度$B$下降到$g_{aγ} B \gtrsim 6 \times 10^{-18} \textrm{GeV}^{-1} \textrm{nG} $的超轻ALP。
Dark-ages Reionization & Galaxy Formation Simulation VIII. Suppressed growth of dark matter halos during the Epoch of Reionization
我们研究了重子吸积的流体静力学抑制如何影响再电离时期暗物质晕的增长率。在一个简单的流体动力学模拟中，气体只冷却的晕属性进行比较，与其无碰撞等效，我们发现，晕增长放缓的流体静力学力防止气体崩溃。在我们的模拟中，在与再电离相关的高红移（介于${\sim}6$和${\sim}11$之间），由于重子的静水压力，矮星系（$\lesssim 10^{9} \mathrm{M_\odot}$）的晕可以减少到2倍的质量。因此，重子效应的列入减少了2至4倍的晕质量函数的低质量尾部的幅度。此外，我们还发现在高红移的矮星系中，暗物质晕中的重子比例从未超过宇宙重子比例的${\sim}90\%$。在重子过程中，包括冷却、恒星形成、超新星反馈和再电离等过程，随着${\sim}30\%$进一步降低到60%，抑制效应变得更加显著.虽然收敛测试表明，抑制可能会变得更弱，在更高的分辨率模拟，这种抑制的增长将是重要的半解析模型的星系形成，其中继承的晕质量从一个基本的N体模拟直接决定星系的属性。绝热模拟的基础上，我们提供的表来说明这些影响在N体模拟，并提出了一个修改的晕质量函数以及解释性的解析计算。
Dark-Ages Reionisation & Galaxy Formation Simulation XVI: The Thermal Memory of Reionisation
星系际介质温度是再电离时代的一个强有力的探测器，因为信息在再电离之后很长一段时间都保留着。然而，平均温度是高度退化的再电离的时间，在时代期间注入的热量，并与随后的冷却速率。我们后处理一套半解析星系形成模型来说明如何不同的星系际介质的热统计可以用来约束再电离。在气体被加热后的一段时间内，温度与再电离的红移高度相关。然而，随着气体冷却，再电离的热记忆丧失，并且形成幂律温度-密度关系，$T = T_0(1+δ)^{1-γ}$与$γ\approx 1.5$。约束我们的模型对观测的电子光学深度和温度在平均密度，我们发现，再电离可能完成在$z_{\rm{reion}} = 6.8 ^{+ 0.5} _{-0.8}$与软谱斜率$α= 2.8 ^{+ 1.2} _{-1.0}$。通过将光谱斜率限制在由群体II合成模型激发的$[0.5,2.5]$范围内，再电离时间进一步限制在$z_{\rm{reion}} = 6.9 ^{+ 0.4} _{-0.5}$。我们发现，在未来，再电离时间和背景光谱之间的简并可以打破使用温度和综合热历史的分散。
The End of the Black Hole Dark Ages, and Warm Absorbers
我们考虑了吸积超大质量黑洞（SMBH）的辐射压如何影响其周围的星际介质，黑洞周围的大部分气体被扫入一个特征半径略大于黑洞影响半径（$\sim$ 1-100 pc）的壳层。壳的质量与孔最终达到的（$M - σ$）质量直接相当，并且可能具有复杂的拓扑结构。我们认为，从中央超大质量黑洞的流出停止与壳层的碰撞，这是温暖的吸收体成分经常在活动星系核光谱的起源。壳层可能会吸收并再辐射一些长波长的黑洞吸积光度，这意味着一些已知活动星系核的热光度可能被低估了，一些吸积的SMBH可能完全逃脱了检测。
Lighting Dark Ages with Tomographic ISW Effect
本文利用 Planck CMB 温度、偏振和透镜数据进行红移层析 ISW 重建，在 z=500 发现 2σ 异常，并首次时空完整刻画该效应。
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