Simulation based inference of the ionization history from the 2D 21 cm power spectrum
Imperial College London（帝国理工学院）；Max-Planck-Institut für Radioastronomie（马克斯·普朗克射电天文研究所）
通过21厘米2D功率谱模拟推断早期宇宙中中性分数变化，比较两种方法在推断天体物理参数和离子化历史中的性能。
2026-03-26 astro-ph.CO
Impact of reionization history on constraining primordial gravitational waves in future all-sky cosmic microwave background experiments
本文研究了再电离历史不确定性对全天CMB偏振实验限制原初引力波的影响，发现利用大尺度E模功率谱可排除导致偏差的再电离场景，从而确保PGW限制的稳健性。
2024-12-25 astro-ph.CO
Parametrizing the Reionization History with the Redshift Midpoint, Duration, and Asymmetry
一个新的参数化的再电离的历史，以方便强大的比较不同的观测和理论。通过指定中点、持续时间和不对称性参数，可以有效地捕捉电离分数随红移的演化。拉格朗日插值函数，然后用来构建解析曲线，精确地拟合相应的电离点。形状参数化是很好的匹配辐射流体动力学模拟的理论结果。再电离观测值的比较差异是：电离分数$|Δx_\text{i}| \lesssim 0.03$，21厘米亮度温度$|ΔT_\text{b}| \lesssim 0.7\, \text{mK}$，汤姆逊光学深度$|Δτ| \lesssim 0.001$和斑片状动力学Sunyaev-Zel'dovich角功率$|ΔD_\ell | \lesssim 0.1\, μ\text{K}^2$。这种精确和灵活的方法将允许参数空间的研究和自洽约束的再电离历史从21厘米，CMB，高红移星系和类星体。
2018-05-18 astro-ph.CO
Gaussian Process Reconstruction of Reionization History
我们使用高斯过程回归重建再电离的历史。利用哈勃前沿场的紫外光度数据，我们重建了紫外光度密度的红移演化，从而重建了电离方程中源项的演化。这种独立于模型的重建排除了光度密度的单一幂律演化，但支持对数双幂律参数化。通过对电离方程和重构源项积分，得到了再电离历史。利用普朗克宇宙微波背景观测的光学深度约束，截断星等为-17和-15的紫外光度函数测量积分，以及高红移类星体、星系和伽马射线暴观测的电离分数，我们约束了再电离的历史。在保守的情况下，我们发现在68%和95%的置信区间下，光学深度的约束为$τ=0.052\pm0.001\pm0.002$。我们发现在10%和90%电离之间的红移持续时间是$2.05_{-0.21-0.30}^{+0.11+0.37}$。如果在联合分析中使用截断星等为-15的紫外光度密度数据，则支持更长的再电离持续时间。我们的研究结果指出，即使在保守的重建，宇宙学和天体物理学的观测相结合，可以提供严格的限制再电离的时代。
2021-10-31 astro-ph.CO
Primordial magnetic field constraints from the end of reionization
早期宇宙中产生的原始磁场是大量研究的主题，并且需要对其强度的观测限制来约束理论。由于它们对再电离过程的影响，原始场的强度可以使用最新的再电离数据和观测到的高红移星系的紫外光度函数来限制。由于光度函数的暗端斜率很陡，暗星系贡献了大量的电离光子，而低光度截止对总预算有影响。来自原始磁场的磁压通过阻止质量低于10^{10} M_solar（B_0 / 3 nG）^[3]的晕的坍缩来影响这种截止，其中B_0是同向移动的磁场强度。在这封信中，这些效应的影响始终纳入一个简化的模型再电离，由于宇宙学参数，再电离参数和观测到的紫外光度函数的不确定性得到解决。我们发现在z \sim 7处观察到的电离度导致B_0 \lsim 2- 3 nG的最强上限。在z>7处的高电离度的测量可以遵循更强的限制。
2011-09-24 astro-ph.CO
Beyond optical depth: Future determination of ionization history from the CMB
我们探索的基本限制，再电离的历史可以约束只使用大尺度宇宙微波背景（CMB）各向异性测量。分数电离$x_e(z)$的红移分布影响CMB偏振的角分布。我们项目的约束宇宙再电离的历史，使用低噪声的全天空温度和E-模式测量的CMB。我们发现，测量的TE功率谱，$\hat C_\ell^\mathrm{TE}$，大约有四分之一的约束力的$\hat C_\ell^\mathrm{EE}$上的再电离光学深度$τ$，它的增加提高了20%以上，仅使用$\hat C_\ell^\mathrm{EE}$的$τ$的精度。我们还使用了一个两步再电离模型与一个额外的高红移步骤，参数化的早期电离分数$x_e^\mathrm{min}$，并在$z_\mathrm{re}$后期再电离步骤。我们发现，未来的高信号噪声测量的多极$10\leqslant\ell<20$是特别重要的打破之间的简并$x_e^\mathrm{min}$和$z_\mathrm{re}$。此外，我们表明，这些参数的不确定性，确定从地图与灵敏度$10\,\mathrm{μK\,arcmin}$小于5%，大于在无噪声的情况下的不确定性，使这种噪声水平的自然目标，为未来的大天空面积E模式测量。
2020-01-30 astro-ph.CO
Effects of the merger history on the merger rate density of primordial black hole binaries
考虑到原初黑洞的合并历史，我们发展了一种计算原初黑洞双星合并速率密度的形式，给出了一个一般的质量函数。我们适用于三个具体的质量函数，单色，幂律和对数正态的情况下的形式主义。在前两种情况下，合并率密度主要由单一合并事件决定，而在后两种情况下，多个合并事件对合并率密度的贡献不容忽视。合并历史对合并率密度的影响依赖于质量函数。
2019-09-02 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Primordial Non-Gaussianity and Reionization
原始扰动的统计性质包含了关于这些波动起源的线索。虽然普朗克合作最近从宇宙微波背景测量中获得了对原始非高斯性的严格限制，但仍然值得挖掘即将到来的数据集，以努力设置独立或竞争性限制。在再电离时期，在红移z~6-20处形成的电离泡是由原初超密度产生的，因此，高红移处电离场的统计与原初场的统计有关。在这里，我们模拟再电离场的原始非高斯效应。的时代和持续时间的再电离的影响是电离气泡的大小，但这些变化是退化的电离源和周围星系际介质的属性的变化。一个更有希望的签名是电离场的空间波动的功率谱，这可能是即将到来的21厘米调查探测。这与大尺度下的1/k^2相关性是一致的，这是物质场的有偏示踪剂的特征。我们预测如何以及即将到来的21厘米观测将能够解开这个信号从前景污染。虽然前景清洗不可避免地消除了大规模的模式，最受影响的原始非高斯，我们发现，原始非高斯可以从前景污染的长度尺度范围很窄。在原则上，未来的红移21厘米的调查可能会允许与普朗克竞争的限制。
2013-04-30 astro-ph.CO
Weak Primordial Magnetic Fields and Anisotropies in the Cosmic Microwave Background Radiation
结果表明，小尺度磁场存在于复合诱导重子密度不均匀性的可观的幅度。这种不均匀性的存在改变了宇宙的电离历史，这反过来又降低了多普勒峰的角尺度，并通过光子扩散增加了丝绸阻尼。这一独特的特征可用于未来的宇宙微波背景观测，以（或证伪）强度为B~10^（-11）高斯的原始磁场的存在。
2011-08-11 astro-ph.CO
21-cm power spectrum and ionization bias as a probe of long-mode modulated non Gaussian sky
在宇宙微波背景辐射中观测到的半球功率不对称性可以用长波模（长模）调制来解释。在这项工作中，我们研究了21厘米亮度温度的角功率谱中检测这种效应的前景。为此，我们研究了中性氢分布对角功率谱的影响。这是通过公式化电离分数的偏置参数，以底层的物质分布。我们还讨论了长模调制伴随着局域型原初非高斯性的可能性。在这种情况下，我们得到的角功率谱的两个影响的原始非高斯性和长模式调制。最后，我们表明，原始的非高斯性提高了21厘米信号的长模调制功率通过非高斯尺度依赖的偏置高达四个数量级。因此，在即将到来的勘测（诸如平方公里阵列（SKA））中对21-cm信号的观测可能能够在长模式调制的背景下检测半球功率不对称性。
2019-08-15 astro-ph.CO
Impact of the primordial fluctuation power spectrum on the reionization history
本文提出利用再电离历史探测小尺度原初密度涨落，通过21cmFAST模拟研究跑动谱指数的影响，并结合莱曼-α发射体观测给出约束，表明其与CMB结合可有效研究原初涨落。
2023-12-27 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Heating and Ionization of the Primordial Intergalactic Medium by High Mass X-ray Binaries
我们研究了高质量X射线双星对高红移环境的影响。利用一维辐射转移程序，我们预测了由主序星和高亮度超新星组成的同时代恒星星族在形成后不同时期的电离和温度分布。我们既考虑了均匀密度的环境，也考虑了一个嵌入在10^8太阳质量NFW晕中的星团。HMXB在恒定密度环境中产生可忽略不计的增强电离，因为它们的高能量SED和短寿命。在这种情况下，HMXB对局部加热速率的贡献很小。对于NFW剖面，来自主序星的辐射不能阻止最初电离的体积重新组合，因为它无法穿透高密度的星系核心。然而，HMXB光子在前沿后面停止重新组合，使其部分电离更长时间。在这些部分电离的区域中增加的电子密度促进进一步冷却，导致较低的IGM温度。在这个星爆模型的背景下，我们已经表明，HMXB不作出重大贡献，再电离或IGM加热。然而，X射线逃逸分数在两种密度剖面情况下都很高。连续的恒星形成可能会导致X射线随着时间的推移而积累，减少电离时间尺度，并可能导致遥远的IGM的低水平电离。
2014-09-03 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Warm dark matter and the ionization history of the Universe
在温暖的暗物质的情况下，结构的形成被抑制在小尺度上相对于冷的暗物质的情况下，减少低质量晕的数量和电离气体的分数在高红移，从而延迟再电离。这对宇宙的电离历史产生了影响，测量再电离的光学深度，电离气体的全球部分的演化和星系际介质的热历史，可以用来限制暗物质粒子的质量。然而，在这些情况下，电离介质的部分抑制可以通过改变其他参数来部分补偿，例如电离效率或晕可以容纳恒星形成星系的最小质量。在这里，我们使用不同的数据集关于宇宙的电离和热的历史，并考虑到从几个天体物理参数的简并，我们得到的热暖暗物质候选人的质量的下限$m_X > 1.3$千电子伏，或$m_s > 5.5$千电子伏的情况下，无菌中微子非共振产生的早期宇宙，都在90\%的置信水平。
2018-04-23 astro-ph.CO hep-ph
Primordial Black Hole Abundances and Scalar Induced Gravitational Waves from Finite-Width Power Spectra in a Stiff Thermal History
Hunan Institute of Technology（湖南理工学院）；SGT University（SGT大学）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Hainan University（海南大学）；Tongji University（同济大学）；Institute for Advanced Study of Tongji University（同济大学高等研究院）；Asia Pacific Center for Theoretical Physics（亚太理论物理中心）；The University of Tokyo（东京大学）；Yangzhou University（扬州大学）
本文通过数值相对论模拟研究刚性热历史中有限宽度功率谱下原初黑洞的坍缩阈值，发现阈值随宽度和状态方程参数增大，并影响暗物质丰度与引力波信号。
2026-09-23 astro-ph.CO
The escape of ionizing photons from supernova-dominated primordial galaxies
为了评估红移3<z<7的Lyman break星系（LBG）和Lyman α发射体（LAEs）对星系际介质电离的贡献，通过求解三维辐射转移，研究了超新星主导的原始星系电离光子的逃逸率.模型星系来自Mori & Umemura（2006）对原始星系的超高分辨率化学动力学模拟，很好地再现了LAEs和LBG的观测特性。模型星系的总质量为10^{11}M_sun。我们不仅解决了光电离，而且碰撞电离的冲击。此外，根据化学富集作用，我们考虑了尘埃消光效应，并考虑了尘埃的粒径分布。其结果是，我们发现，尘埃消光减少逃逸分数的一个因素1.5-8.5在LAE阶段和一个因素2.5-11在LBG阶段，而碰撞电离的冲击增加逃逸分数的一个因素~ 2。结果逃逸分数在LAE期为0.07-0.47，在LBG期为0.06-0.17。这些结果与最近从LAE和LBG在1500埃到900埃的通量比得出的估计是一致的。结合LAEs和LBG的光度函数，我们发现高z LAEs和LBG可以在z=3-5处取代IGM。然而，来自LAE以及LBG的电离辐射在z>6时不足以覆盖IGM。这意味着在z>6时可能需要额外的电离源。
2009-06-09 astro-ph.CO astro-ph.GA
Constraints on accreting primordial black holes with the global 21-cm signal
研究了吸积原初黑洞对星系际介质热历史的影响，包括重子物质和暗物质粒子的吸积。吸积PBH引起的IGM热历史的变化将导致宇宙黎明时全球21厘米信号的变化。基于EDGES对全局21-cm信号的检测，通过要求差分亮度温度，例如，$δT_{21} \lesssim -100~(-50)~\rm mK$，我们得到的上限上的丰度多环芳烃的质量范围$10\lesssim M_{\rm PBH} \lesssim 10^{4}~M_{\odot}$。与以前的工作相比，对质量范围$10\lesssim M_{\rm PBH}\lesssim 50~M_{\odot}$的限制更强。
2021-09-18 astro-ph.CO
Effects of Primordial Black Holes on IGM History
本研究探讨了原初黑洞Hawking辐射对z约800-25期间星际介质电离历史、气体温度及21cm信号的影响，发现轻质量PBH显著改变电离分数和温度，强调需严格处理Hawking辐射。
2025-10-13 astro-ph.CO
Reionization constraints on primordial magnetic fields
研究了原初磁场引起的额外密度涨落对红移范围内再电离历史的影响：$6 < z < 10$。我们进行了一个全面的MCMC物理分析，允许原始磁场（强度，$B_0$，功率谱指数$n_{\scriptscriptstyle \rm B}$），再电离，和$Λ$ CDM宇宙学模型相关的参数的变化。我们发现，磁场强度范围：$B_0 \simeq 0.05{-}0.3$ nG（近无标度功率谱）可以显着改变再电离历史在上述红移范围内，可以缓解之间的紧张关系WMAP和类星体的吸收光谱数据。我们的分析对磁场强度$B_0 < 0.358, 0.120, 0.059$ nG（95% c.l.）对于$n_{\scriptscriptstyle \rm B} = -2.95, -2.9, -2.85$。这些代表了其他宇宙学观测中最强的磁场约束。
2015-05-11 astro-ph.CO
Primordial magnetic fields and the HI signal from the epoch of reionization
原始磁场诱导的结构形成的HI信号的再电离时代的影响进行了研究。使用半解析模型，我们计算在这种情况下的密度和电离不均匀性。我们证明：（a）与标准的$Λ$ CDM模型不同，整体HI信号只能在发射中看到;（b）由原始场引起的密度扰动，在HI两点关联函数上留下了磁场Jeans长度的独特特征;（c）电离不均匀性的长度尺度为$\la 1 \rm Mpc$。我们发现，峰值预期信号（两点关联函数）是$\simeq 10^{-4} \rm K^2$的范围内的尺度$0.5\hbox{-}3 \rm Mpc$的磁场强度范围内的$5 \times 10^{-10} \hbox{-}3 \times 10^{-9} \rm G$。我们还讨论了HI信号的可检测性。正在进行的和计划中的无线电干涉仪的角分辨率允许人们只探测我们所考虑的最大磁场强度。它们具有检测磁场感应特征的灵敏度。我们表明，未来的SKA既有角分辨率和灵敏度，以检测磁场感应信号在整个范围内的磁场值，我们认为，在一个星期的积分时间。
2009-11-02 astro-ph.CO
Merger History of Clustered Primordial Black Holes
National Research Nuclear University MEPhI（国立核研究莫斯科工程物理学院）；MIREA --- Russian Technological University（俄罗斯技术大学）
研究原初黑洞集群的合并历史，揭示其合并率与孤立系统差异，并发现引力波背景谱斜率变化。
2025-12-07 astro-ph.CO gr-qc
A Direct Probe of the Evolutionary History of the Primordial Universe
从哈勃和拉迈特利用星系发现膨胀宇宙到最近利用标准烛光发现加速宇宙，直接测量宇宙尺度因子a（t）的演化在宇宙学标准模型的建立中起着核心作用。在这封信中，我们表明，这样的测量可以扩展到原始宇宙使用质量场作为标准时钟，为负责大爆炸的场景提供直接证据。这是对经典和量子原始标准钟概念的简短而非技术性的介绍。
2016-08-06 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Reconstruction of Reionization History through Dispersion Measure of Fast Radio Bursts
本文利用快速射电暴（FRB）的色散测量（DM）研究了再电离时期电离分数$x_e(z)$的演化。与以往研究不同的是，本文考虑FRB星表中观测到的DMs的大规模聚集信息，只需要粗略的红移分布，而不需要每个FRB的精确红移信息。首先，我们考虑了$x_e(z)$的瞬时"\texttt{tanh}"模型，发现与仅从CMB数据比较时，包括关于具有100个$\rm pc/cm^3$的内在DM散射的$10^4$ FRB的mock目录的自相关信息，跨越所有天空的20\%，可以显著改善对模型的宽度$Δ_z$的约束。电离分数的演化形状将被紧紧地缩窄，即再电离时期的持续时间缩短，即$z_{\rm dur}<2.24$（95\%C. L.）此外，我们还利用另一个红移-非对称再电离模型，得到FRB模拟星表可以精确测量$z=6$的电离分数，其$1σ$误差为$Δx_e(z=6)=0.012$，这意味着FRB星表观测到的DM的大尺度聚类信息对再电离历元末的电离分数非常敏感。我们的结论是，高红移FRB的观测可以成为未来研究再电离历史的补充探针。
2021-04-19 astro-ph.CO
Impact of Primordial Ultracompact Minihaloes on the Intergalactic Medium and First Structure Formation
超紧小晕（UCMHs）是由暗物质吸积到原初黑洞（PBH）上或原初密度扰动产生的初始暗物质过密度而形成的，它提供了一种新的致密暗物质结构，在物质辐射相等z_eq后对IGM进行加热和加热，比第一个宇宙学暗晕结构和后来的第一颗恒星的形成要早得多。我们表明，即使UCMH丰度很小，UCMH贡献的暗物质湮灭密度也可以完全主导均匀的暗物质湮灭背景，并在早期宇宙中提供新的伽马射线背景。当UCMH丰度上限受到CMB光学厚度的限制时，IGM电离分数xion和气体温度Tm可以从没有能量注入时的复合残余和绝热冷却增加到最高值xion 0.1和Tm ~ 5000 K（z>10）。一小部分UCMH被PBH接种。气体吸积到PBH上的X射线辐射可能完全超过暗物质湮灭，成为主要的宇宙电离源，但UCMH内部重子积累和吸积反馈对气体吸积速率和X射线吸收的限制表明，X射线辐射只有在z<z_m<1000时才能成为比UCMH湮灭晚得多的有希望的电离源，其中z_m取决于PBH的质量，它们的宿主UCMH和暗物质粒子。此外，UCMH辐射，包括湮灭和X射线发射可以显着抑制低质量的第一重子结构的形成。UCMH辐射对重子结构演化的影响对于维里化后的气体温度影响很小，但对重子物体中的电离率和分子氢丰度等气体化学量的增强作用更为显著。
2011-08-09 astro-ph.CO
Constraining the Merger History of Primordial-Black-Hole Binaries from GWTC-3
利用GWTC-3引力波事件约束原初黑洞双星的并合历史，发现多次并合贡献次主导，可忽略；对数正态质量函数拟合最佳，恒星质量PBH不主导冷暗物质。
2023-04-02 astro-ph.CO gr-qc
Learning Reionization History from Quasars with Simulation-Based Inference
本文提出用基于模拟的推断（SBI）方法从高红移类星体光谱的阻尼翼信号中精确推断宇宙中性分数和翼位置，成功打破参数简并，优于传统伪似然方法，有望稳健重建宇宙再电离历史。
2023-11-27 astro-ph.CO
Anthropic Likelihood for the Cosmological Constant and the Primordial Density Perturbation Amplitude
温伯格等人使用一个模型计算了宇宙学常数的人择可能性，该模型假设观测者的数量与引力坍缩物体的总质量成正比，质量大于某个阈值，在t \rightarrow \infty。我们认为温伯格的模型偏向于小Λ，为了避免这种偏差，我们修改了他的模型，使观察者的数量与坍缩物体的数量成正比，质量和时间等于某些首选的质量和时间尺度。与Weinberg模型相比，该模型给出了较低的人为似然性Λ 0（T+（Λ 0）~ 5%）。另一方面，原始密度扰动振幅从这个模型的人为可能性是高的，而从温伯格的模型的可能性是低的。此外，观察者会受到坍缩物体的历史的影响，我们介绍了一种方法来计算Λ和Q的人择似然从质量历史使用扩展的Press-Schechter形式主义。这种方法得到的$Λ$和Q的人择似然性与我们的单质量约束模型相似，但是，与使用总是在Λ和Q之间退化的单质量约束模型不同，使用质量历史模型的结果是稳健的，即使我们允许Λ和Q都变化。在Λ（pocketbasedmultiverse measure）的Weinberg平坦先验分布的情况下，我们的质量历史模型给出T+（Λ_0）~ 10%，而标度因子截断测度和因果补丁测度给出T+（Λ_0）\geq 30%.
2012-01-12 astro-ph.CO
Relaxing CMB bounds on Primordial Black Holes: the role of ionization fronts
该研究通过更真实的流体动力学吸积模型和保守发射效率假设，发现10到10⁴倍太阳质量的原初黑洞丰度的CMB限制比之前宽松两个数量级，重新支持原初黑洞解释暗物质、引力波事件和超大质量黑洞的可能，同时指出吸积过程存在较大不确定性。
2024-09-16 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
The History and Environment of a Faded Quasar: Hubble Space Telescope observations of Hanny's Voorwerp and IC 2497
我们目前的哈勃太空望远镜成像和光谱的扩展高电离云被称为汉尼的Voorwerp，附近的螺旋星系IC 2497。WFC 3图像显示了IC 2497核附近复杂的尘埃吸收。STIS光谱显示了一个亮度相当低的2型Seyfert活动星系核。电离参数logU = -3.5与其弱X射线发射相一致。我们在核附近没有发现高电离气体，这进一步证明活动星系核目前处于低辐射输出状态（也许现在主要是动能）。在Hanny's Voorwerp对面的一侧，伴随着一个直径为500 pc的电离气体膨胀环，多普勒偏移量为300 km/s（运动学年龄< 7 x10^5年）。[O III]和H-alpha + [N II]图像显示了Hanny's Voorwerp的精细结构，边缘变亮的部分和H-alpha较强的小区域。我们确定这些地区电离最近的恒星形成，相反，AGN电离的整个云。这些候选的“正常”H II区域包含蓝色连续体天体，其颜色与年轻的恒星星族一致;它们仅出现在投影中IC 2497方向的2 kpc区域中。电离敏感的比率[O III]/H-α在电离气体中的突出“孔”附近没有可辨别的模式。电离和表面亮度的独立性表明，大量的空间结构仍然没有得到解决，在这样的程度上，表面亮度样本的数量更密集的灯丝，而不是在发射区的特征密度。这些结果与我们所描述的活动星系核的电离回波相吻合，活动星系核的电离亮度在过去的1-2 × 10^5年内…
2012-06-17 astro-ph.CO
The History of Primordial Black Holes
本文回顾了原初黑洞研究约50年的历史，将其划分为四个时期，并指出暴胀、微引力透镜探测和引力波探测三项关键进展推动了研究重点从形成与蒸发转向寻找观测证据。
2025-05-07 astro-ph.CO hep-ph
Primordial magnetic fields and modified recombination histories
本文针对原初磁场诱导的小尺度重子团块对宇宙复合历史的影响，提出一种线性化处理方法以自洽计算修正后的复合历史，发现团块因子不足以缓解哈勃张力等宇宙学矛盾，但该框架具有普适性并为完整理论描述奠定了基础。
2025-09-19 astro-ph.CO
Thermal History of the Early Universe and Primordial Gravitational Waves from Induced Scalar Perturbations
在宇宙学扰动理论的二阶条件下，研究了标量微扰对张量扰动的影响引起的原初引力波。我们利用标准模型自由度随早期宇宙温度的演化计算了诱导引力波背景。结果表明，标准模型自由度对诱导引力谱的影响与一阶张量扰动产生的引力谱不同。这种现象是由于标量微扰作为张量扰动的来源而引起的，并且在夸克胶子解除禁闭和电弱跃迁附近是有效的。当考虑小尺度下标量谱指数大于1或非高斯曲率功率谱时，这种效应可以被引力波观测站观测到。
2019-10-27 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
21cm fluctuations from primordial magnetic fields
最近对星系际空区和高红移星系中磁场的观测表明，大尺度磁场具有原始起源。如果在复合时期之后不久就出现了原始磁场，它们一方面会引起密度涨落，另一方面会将能量耗散到原始气体中，从而显著改变宇宙的热历史。在这里，我们考虑这两种影响，并使用简单的蒙特卡罗模拟计算21厘米线的亮度温度波动。我们发现，来自能量耗散的21厘米线的涨落只出现在很小的尺度上，而来自密度涨落的涨落在与观测相关的角尺度上总是占主导地位。
2014-05-25 astro-ph.CO
Signatures of the neutrino thermal history in the spectrum of primordial gravitational waves
本文研究了中微子产生的各向异性应力对原初宇宙引力波传播的影响。各向异性应力的存在，就像自由流动的中微子产生的应力一样，部分吸收了在宇宙中传播的引力波（GW）。我们发现，在三个中微子家族的标准情况下，22%的波强度被吸收，与以前的研究相当一致。我们还计算了最大可能的阻尼量，对应于完全由超相对论性无碰撞粒子主导的平坦宇宙的情况。在这种情况下，43%的波强度被吸收。最后，我们已经考虑到碰撞的影响，使用一个简单的形式参数化的相互作用之间的平均时间的碰撞项，允许顺利地从一个紧密耦合的流体的情况下，碰撞气体。吸收依赖于中微子能量密度和相互作用的有效性，这为观察与宇宙热历史中特定事件相关的光谱特征提供了有趣的可能性，例如中微子去耦和电子正电子湮没，两者都发生在T~1 MeV。那时进入地平线的全球Ws今天的频率将是$ν\sim 10^{-9} \Hz$，这是一个将由脉冲星定时阵列探测的区域。
2010-10-18 astro-ph.CO gr-qc
Inferring the Merger History of Primordial Black Holes from Gravitational-Wave data and the Stochastic Signatures
本研究利用引力波暂现源目录数据，通过贝叶斯分析约束原初黑洞双星并合率，给出红移演化指数与局域并合率的估计，指出随机引力波背景可用于探测原初黑洞并合的累积历史。
2025-07-28 astro-ph.CO gr-qc
Gravitational Ionization by Schwarzschild Primordial Black Holes
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
研究Schwarzschild原始黑洞的引力电离效应，探讨其对原子核的破坏作用，分析其在宇宙早期和现今的观测潜力及对暗物质的贡献。
2026-02-20 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Reconstructing the recombination history by combining early and late cosmological probes
本研究提出结合CMB、BAO和超新星数据重构宇宙复合期电离历史的新框架，发现复合过程自由度会削弱宇宙学参数约束，BAO可打破参数简并，超新星数据更支持非标准复合历史，未来SPT-3G将大幅降低重构不确定性。
2024-08-13 astro-ph.CO
Astroparticle Constraints from Cosmic Reionization and Primordial Galaxy Formation
我们推导出不同的暗物质替代冷暗物质（CDM）的方案中的天体粒子约束：热遗迹暖暗物质，WDM;模糊暗物质，$ψ$ DM;自相互作用暗物质，SIDM;无菌中微子暗物质，$ν$ DM。我们的框架是基于更新的确定的高红移紫外光光度函数的原始星系的红移$z\sim 10$，在上述DM方案的数值模拟红移依赖的晕质量函数，和强大的约束宇宙的再电离历史，从最近的天体物理和宇宙学数据集。首先，我们建立了一个宇宙再电离的经验模型，其特征在于由两个参数，即逃逸分数$f_{\rm esc}$的电离光子从原始星系，和极限UV幅度$M_{\rm UV}^{\rm lim}$下，外推的UV光度函数急剧增加。其次，我们执行UV光度函数和晕质量函数的标准丰度匹配，获得UV光度和晕质量之间的关系，其形状取决于每个DM场景特定的天体粒子数量$X$（例如，WDM粒子质量）;我们利用这样的关系，在分析中引入了一个限制，从原始星系形成，在阈值晕质量方面，超过原始星系可以有效地形成恒星。第三，我们实现了顺序更新的Bayesian MCMC技术，对三个参数$f_{\rm esc}$、$M_{\rm UV}^{\rm lim}$、$X$进行联合推断，并比较不同DM场景对再电离历史的结果。最后，我们强调了我们的天体粒子估计的相关性，在预测的行为的高红移紫外光度函数在微弱的，但未探索的幅度，可能会测试的詹姆斯韦伯太空望远镜的出现。
2022-09-12 astro-ph.CO
Consistent modelling of the meta-galactic UV background and the thermal/ionization history of the intergalactic medium
最近的观测表明，氢再电离结束晚（$z \simeq 6$），进行迅速。我们在这里提出了一个新的模型的元银河系的紫外线/X射线背景（UVB），这是一致的。它采用了最新的测定电离辐射率由于恒星和活动星系核，以及HI吸收柱密度分布。另一个主要的改进是对电离光子的星系际介质（IGM）不透明度的新处理，它能够始终如一地捕获从中性到电离IGM的过渡。以前的合成模型的UVB，当用于模拟，产生再电离和热的历史是不一致的假设电离发射率。通过我们的新疗法，这种差异完全得到了解决。在我们的基准模型中，星系泄漏的莱曼连续辐射$\lesssim 18\%$驱动HI再电离，而活动星系核驱动HeII再电离（分别在$z \simeq 6.2$和$2.8$完成）。由于HI和HeII再电离之间的冷却时间有限，预计后期再电离情况下IGM温度会更高。在我们的基准模型中，预测的温度与$z \lesssim 4$的观测约束一致，但与上述数据相比（有些不确定）略高。活动星系核贡献较大的模型反而受到温度数据以及HI和HeII Lyman- $α$森林不透明度测量的不利影响。我们还提出了“等效平衡”电离/加热速率，模仿我们的基准UVB模型用于模拟代码，假设电离平衡。
2018-01-15 astro-ph.CO astro-ph.GA
Uncovering the History of Cosmic Inflation from Anomalies in Cosmic Microwave Background Spectra
我们提出了一个暴胀的原始特征模型，它可以解释目前测量的宇宙微波背景（CMB）各向异性谱中的大尺度和小尺度异常，揭示了宇宙在其原始时代的一段冒险历史。虽然该模型目前是统计上无法区分的标准模型，我们表明，未来的观测，如西蒙斯天文台和LiteBIRD将相互补充，在区分模型的差异，由于其准确的E模式偏振测量，和PICO任务，如果资助，可以把严格的限制所有的特性。该模型预测了一个经典的原始标准时钟信号，它也可以用来区分暴胀和替代方案在一个模型独立的方式。
2022-05-30 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Primordial black holes with mass $10^{16}-10^{17}$ g and reionization of the Universe
质量为$10^{16}-10^{17}$ g的原始黑洞（PBH）几乎可以逃脱观测的限制，因此可以从本质上对暗物质密度做出贡献。霍金蒸发这种PBH产生稳定的$γ$ -和$e^{\pm}$ -辐射在MeV的能量范围内，可以被普通物质吸收。简化的估计表明，一小部分蒸发的能量必须被重子物质吸收，这足以加热物质，使其在红移$z\sim 5... 10$处完全电离。结果被发现是接近边界的情况下出现的效果，是什么使它敏感的近似使用。在我们的近似中，对于PBH质量$z\sim 5$ g，气体电离度达到50-100%，其丰度对应于上限。
2015-02-25 astro-ph.CO
Impact of Bubble Nucleation History and Friction on Primordial Black Hole Formation
Regional Centre for Accelerator based Particle Physics, Harish-Chandra Research Institute（哈里斯-钱德拉研究所加速器粒子物理区域中心）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）
本研究采用模型无关框架，对比指数与高斯成核轮廓，纳入摩擦效应，发现摩擦会显著改变原初黑洞的质量与形成时间，且随机引力波可区分摩擦与无摩擦情形。
2026-08-25 astro-ph.CO hep-ph
Morphology of 21cm brightness temperature during the Epoch of Reioinization using Contour Minkowski Tensor
利用形态学描述符、Betti数和Contour Minkowski张量（CMT）对21 cm亮温漂移集进行研究，研究了星系际介质在再电离时期（EoR）前后的电离和加热历史.用$β$表示的CMT的特征值之比给出了形状信息，而它的迹给出了孔和连通区域的轮廓长度。我们用公开的程序21 cmFAST模拟了红移范围为$z=20.22$到$z=6$的物质密度、中性氢分数、自旋温度和亮度温度场。我们研究了三个物理量--Betti数$N_{con,hole}$、连通区和空穴的特征尺寸$r^{ch}_{con,hole}$和形状各向异性参数$β^{ch}_{con,hole}$--的红移演化，并探讨了它们演化的不同物理根源.我们在EoR期间的加热和电离的不同模型的定性比较。我们得到不同的制度的形态演化的亮度温度，这取决于如何连接的区域和孔的形状和大小的变化与红移不同的天体物理设置影响电离和加热历史的IGM期间和之前的EoR。我们发现，亮度温度场的形态跟踪电离区的形态低于一定的红移值取决于模型，其中$Δr^{ch}_{hole}<10 \%$和$Δβ^{ch}_{hole}<1 \%$相对于$x_{HI}$字段。这种差异随着红移而减小。因此，可以使用真实空间中$δT_b$的形态描述来重建IGM的电离历史。
2019-04-15 astro-ph.CO
Constraining cosmology and ionization history with combined 21 cm power spectrum and global signal measurements
当前仪器的改进和下一代仪器的出现将很快推动观测21厘米宇宙学进入一个新的时代，对21厘米亮温的功率谱和平均（“全球”）信号进行高意义的测量。在本文中，我们使用最近开始的氢时代的再电离阵列作为一个工作的例子，提供天体物理和宇宙学参数约束的预测。在此过程中，我们以多种方式改进了先前的预测。首先，我们使用普朗克卫星的最新最佳拟合宇宙学参数提供最新的预测，探索不同普朗克数据集对21 cm实验的影响。我们还表明，尽管其他探测器对宇宙学参数施加了严格的限制，但剩余的不确定性仍然足够大，对即将到来的21 cm数据分析产生不可忽视的影响。虽然这使再电离模型的高精度约束变得复杂，但它为21 cm再电离测量提供了一条约束宇宙学的途径。我们还预测HERA的能力，测量电离历史的功率谱测量和半解析模拟相结合。最后，我们考虑的方式，其中21厘米的全球信号和功率谱测量可以结合起来，并提出了一种方法，功率谱的结果可以用来训练一个紧凑的参数化的全球信号。这种参数化减少了描述全局信号所需的参数数量，增加了高显著性测量的可能性。
2016-01-13 astro-ph.CO astro-ph.IM
Global 21 cm signal: a promising probe of primordial features
本文利用半数值模拟研究类凸起原初特征对全球21厘米信号和电离历史的影响，揭示转折波数两侧的相反行为及其晕质量函数根源，并由Planck光深限制给出特征振幅上限。
2025-05-16 astro-ph.CO hep-th
Primordial Gravitational Wave Probes of Non-Standard Thermal Histories
本文研究了原初引力波对非标准热历史的探测，通过分析早期物质主导、kination和晚期衰变粒子等非标准热历史场景对晚期引力波谱密度的影响，提出了利用晚期随机背景观测来约束早期宇宙物理的新方法。
2025-05-30 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Does History Repeat Itself? Periodic Time Cosmology
有人认为，宇宙历史可能会循环重复，在过去和未来有无限系列的类似亿万年。在这里，我们提出，宇宙的历史重复自己完全，构建一个宇宙的周期性时间的历史，我们称之为周期时间宇宙学。特别是，原始功率谱，与整个宇宙历史的传递函数卷积，将形成下一个永世的原始功率谱。通过匹配的大爆炸无限的未来使用共形重新标度（一拉彭罗斯），我们唯一确定的原始功率谱，在传递函数的两个自由参数。虽然近尺度不变的红色倾斜大尺度上，使用普朗克和重子声振荡观测，我们发现最小的模型是不利相比，在$5.1σ$的幂律功率谱。然而，$Λ$ CDM宇宙历史的扩展改变了大尺度传递函数，可以提供更好的相对拟合的数据。例如，我们的周期时间宇宙学的最佳拟合七参数模型，其中$w=-1.024$用于暗能量状态方程，仅在$1.8σ$水平上相对于幂律功率谱（具有相同数量的参数）不利。因此，宇宙历史和初始条件之间的一致性为周期时间宇宙学的宇宙学观测提供了一个可行的描述。
2019-10-17 astro-ph.CO gr-qc hep-th
The primordial abundance of 4He: evidence for non-standard big bang nucleosynthesis
我们提出了一个新的测定的原始氦的质量分数Yp，基于93光谱的86低金属丰度河外HII地区，并考虑到最新的发展有关的系统效应。这些包括碰撞和荧光增强的氦复合线，底层氦恒星吸收线，碰撞和荧光激发的氢线和温度和电离结构的HII区域。用Monte Carlo方法同时求解上述系统效应，我们发现最佳值为Yp=0.2565+/-0.0010（stat.）+/- 0.0050（系统）。这个值在2西格玛水平上高于标准大爆炸核合成（SBBN）给出的值，当中子寿命τ（n）分别为885.4+/-0.9 s和878.5+/-0.9 s时，轻中微子种类的有效数Nnu分别为3.68^+0.80_-0.70（2 σ）和3.80^+0.80_-0.70（2 σ）/-0.8s，即大于实验值2.993+/-0.011。
2010-01-25 astro-ph.CO
Secondary ionization and heating by fast electrons
我们研究的命运的快速电子（与能量E>10 eV）在一个热气体的原始组成。为了跟踪它们与背景气体的相互作用，我们构建了一个蒙特卡罗模型，该模型包括：（1）电子-电子散射（将电子动能转化为热量），（2）氢和氦的碰撞电离（产生次级电子，它们本身通过介质散射），以及（3）碰撞激发（产生次级光子，我们也大致跟踪其命运）。对于最后一个过程，我们显式地包括到较高水平n<=4的所有过渡，以及到较高水平的良好动机的外推。在所有情况下，我们使用最近计算的截面在E<1 keV和贝特近似外推到更高的能量。我们计算沉积的热量，电离（跟踪HI和氦物种分开），和激发（跟踪HI莱曼α分开）在广泛的条件下适合星系际介质的能量的分数。能量沉积分数取决于背景电离分数和电子能量，但几乎与背景密度无关。我们发现很好的协议与一些，但不是所有的，以前的计算在高能量。我们的结果的电子表格可应要求提供。
2009-10-23 astro-ph.CO
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。
2020-05-12 astro-ph.CO
Reionization, UV Luminosity and 21$\,$cm Sensitivity to Primordial Magnetic Fields: Impact of Energy Losses
Université Libre de Bruxelles（布鲁塞尔自由大学）；Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院核物理研究所）；Vrije Universiteit Brussel（布鲁塞尔自由大学）
研究通过考虑能量损失对原始磁场的影响，重新评估其约束，并展示21厘米信号实验HERA对原始磁场的灵敏度提升。
2026-10-02 astro-ph.CO
The impact of Hawking radiation from primordial black holes on recombination and the Hubble tension
Swinburne University（斯威本科技大学）；ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics (CDM)（暗物质粒子物理卓越研究中心）
研究原初黑洞霍金辐射对复合及哈勃张力的影响，通过Recfast软件模拟计算，发现特定PBH能量密度可增加H_0值以缓解哈勃张力，受灰体因子影响，拟合CMB后张力未全消，建议局部测量H_0。
2026-07-22 astro-ph.CO
Cosmic Conundra Explained by Thermal History and Primordial Black Holes
一个普遍的机制可能是几个未解决的宇宙难题的原因。相对论性物质在$W^{\pm}/Z^{0}$退耦、夸克-强子跃迁和$e^{+}e^{-}$湮灭时压力的突然下降增加了早期宇宙中原初黑洞（PBH）形成的概率。假设原始曲率波动的幅度近似于尺度不变，这意味着多模态PBH质谱在$10^{-6}$、1、30和$10^{6}\,M_{\odot}$处具有峰。这表明了一个统一的PBH方案，自然解释了暗物质和最近的微透镜观测，LIGO/室女座黑洞合并，在宇宙红外和X射线背景的相关性，以及在高红移星系核中的超大质量黑洞的起源。我们的模型的一个独特的预测是，LIGO/Virgo应该在2和$5\,M_{\odot}$之间的质量间隙（预计没有恒星残留物）和$65\,M_{\odot}$以上（发生对不稳定超新星）以及两者之间的低质量比中观察到黑洞合并。因此，最近对具有这些特征的事件GW 190425，GW 190814和GW 190521的探测是对我们预测的惊人证实，并可能表明黑洞的原始起源。在这种情况下，PBH丰度对状态方程的指数灵敏度将提供QCD相变的独特探针。PBH的探测还将提供一种新的方法来探测能量在$1\,{\rm MeV}$和$10^{10}\,$ GeV之间的新粒子或相变的存在。
2020-12-15 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
A constraint on light primordial black holes from the interstellar medium temperature
原始黑洞是一个可行的暗物质候选者。它们通过霍金蒸发而衰变。来自霍金辐射的高能粒子与星际气体相互作用，以热和电离的形式储存能量。对于足够高的霍金温度，由黑洞产生的快速电子通过库仑相互作用以热的形式沉积了相当大一部分能量。使用矮星系狮子座T，我们放置的原始黑洞暗物质的分数的上限。对于$M < 5 \times 10^{-17} M_\odot$，我们的界限是竞争或强于其他界限。
2021-05-06 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Constraints on Primordial-black-hole Population and Cosmic Expansion History from GWTC-3
本研究利用GWTC-3中42个双黑洞事件，通过分层贝叶斯分析约束原初黑洞族群和哈勃参数，发现混合ABH+PBH模型优于单一模型，并给出哈勃常数约束。
2023-03-08 astro-ph.CO gr-qc
