Subaru Studies of the Cosmic Dawn
本文概述了早期宇宙人口普查的现状。对高红移天体的观测为研究宇宙的早期提供了直接的机会。目标群体包括莱曼阿尔法发射体（LAE）、莱曼破裂星系（LBG）、引力透镜星系、类星体和伽马射线暴（GRB）。这些对象的基本属性和用于研究它们的方法进行了综述。本文强调了斯巴鲁望远镜组在这一科学领域作出了重大贡献，阐明了宇宙黎明的时代，并提高了对婴儿星系如何以及何时演变成成熟星系的理解。
2011-10-02 astro-ph.CO
On the Prospects of Measuring the Cosmic Dawn 21-cm Power Spectrum using the Upgraded Giant Meterwave Radio Telescope (uGMRT)
EDGES合作组最近的一项观测显示，在全球21厘米光谱中，红移约为$z = 17$的吸收信号很强。这种吸收比现有模型预测的最大值更强，表明宇宙黎明时\HI 21厘米亮度温度的空间波动可能比先前预期的大一个数量级。本文研究了利用uGMRT探测宇宙黎明\HI 21厘米功率谱的前景。我们发现，$10σ$检测增强的\HI 21厘米信号功率谱是可能的$70, 140$和$400$小时的观察分别为一个乐观的，温和的和悲观的情况下，使用带-1的uGMRT。这可能是早期宇宙中重子和暗物质粒子之间相互作用的有用探测器。我们还提出了一个uGMRT预测与未来SKA-Low的比较。
2018-12-08 astro-ph.CO
The Global 21 cm Absorption from Cosmic Dawn with Inhomogeneous Gas Distribution
考虑到星系际介质（IGM）中气体分布的不均匀性，由于非线性结构的形成，我们从宇宙黎明的最大21厘米吸收信号的分析估计。位于晕附近的气体密度过高，但被加热，而远离晕的气体密度较低，因此温度较低。绝热加热和冷却的累积效应，从这种气体的不均匀性的结果在减少约40%的最大全球21厘米的吸收深度相比，均匀IGM模型，假设中性氢（HI）的自旋温度和绝热气体动力学温度之间的饱和耦合。
2019-01-30 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
An MCMC approach to extracting the global 21-cm signal during the cosmic dawn from sky-averaged radio observations
目前正在努力使用单个无线电偶极子的天空平均观测来观测来自“宇宙黎明”的21厘米信号。在本文中，我们开发了一个模型的观测占21厘米的信号，前景，和几个主要的仪器效果。鉴于这个模型，我们应用马尔可夫链蒙特卡罗技术来证明这些仪器的能力，从前景分离的21厘米的信号和量化的能力，以约束属性的第一个星系。为了具体起见，我们调查了40和120 MHz之间的观测与拟议的DARE任务在月球轨道上，显示其潜在的科学回报。
2011-10-25 astro-ph.CO
Cosmic Dawn Intensity Mapper
宇宙黎明强度绘图仪是一个“探测级”的任务概念，用于宇宙的再电离研究。它将能够在近红外范围内进行0.7至6-7微米的光谱成像观测。主要观测目标是对整个宇宙历史中感兴趣的光谱发射线进行开创性的观测，特别是对宇宙年龄不到8亿年的第一代遥远、微弱的星系进行观测。利用光谱成像能力，使用一组线性可变滤波器（LVF），CDIM将产生再电离时期（EoR）的三维断层图像。CDIM还将研究宇宙历史90%以上的星系形成，并将使天文学界从宽波段天文成像转向低分辨率（R=200-300）宇宙光谱成像。
2016-02-16 astro-ph.CO
Robust Velocity-induced Acoustic Oscillations at Cosmic Dawn
氢原子的红移21厘米谱线在宇宙学研究中具有巨大的潜力，因为它可以探测其他不可观测的宇宙纪元。特别是，在宇宙黎明-第一颗恒星形成的时代-对21厘米功率谱的测量将为我们提供有关恒星形成的天体物理学以及宇宙波动起源的丰富信息。除了通常被认为的密度涨落，暗物质和重子相对于彼此具有大的相对速度，这是由于后者遭受的重子声学振荡（BAO），它抑制了宇宙黎明期间恒星的形成，在这个时代留下了21厘米观测的印记。在这里，我们提出了21 cmvFAST，一个版本的公开可用的代码21 cmFAST修改，以考虑这种效果。以前的工作表明，列入相对速度产生的大规模的21厘米功率谱在宇宙黎明的声学调制。通过比较分析计算与模拟从21 cmvFAST，在这里，我们表明，这种调制的形式强大的速度引起的声振荡（VAOs），在莱曼- $α$耦合时代和随后的时代的加热。这些VAO的独特形状，这是由产生相对速度的声学物理学确定的，可以通过分析计算，并且很容易与通常的密度源波动区分开来。我们发现，在广泛的天体物理学假设下，VAO是可检测的，在高的意义，即将到来的HERA干涉仪，因此可以确认在宇宙黎明声振荡的存在。
2019-09-26 astro-ph.CO
Probing IGM Physics during Cosmic Dawn using the Redshifted 21-cm Bispectrum
本文通过模拟展示红移21厘米双谱的符号与幅度演化能区分驱动信号从吸收到发射转变的Ly$α$耦合与X射线加热，为探究宇宙黎明时期首批发光源与IGM物理提供了新途径。
2023-07-03 astro-ph.CO
Dark matter-baryon scattering effects on temperature perturbations and implications for cosmic dawn
暗物质的性质仍然未知，但即将到来的探测高红移宇宙的测量可能会提供宝贵的见解。在存在暗物质-重子散射的情况下，物质功率谱的抑制和较冷的平均气体温度有望改变宇宙黎明和再电离的演化。然而，这种相互作用对重子和暗物质温度扰动的贡献迄今为止一直被忽略。在这项工作中，我们得到这些贡献，发展的宇宙学扰动，直到黑暗时代结束，并表明，他们可能有一个显着的影响，在宇宙黎明的开始。特别是，我们发现，在大尺度的温度功率谱的幅度可以改变高达1- 2个数量级，并进一步抑制物质功率谱相对于$Λ$ CDM的$5$ - $10\%$在$k\sim 200\, {\rm Mpc^{-1}}$相比，忽略这些贡献的计算散射截面在当前CMB限制。作为一个例子，我们还计算了HI功率谱的黑暗时代，发现显着差异，由于温度和电离分数功率谱的变化。我们认为，这些新的贡献必须包括在这个暗物质模型依赖于宇宙黎明和再电离观测的研究。
2022-03-30 astro-ph.CO
Tomography of the Cosmic Dawn and Reionization Eras with Multiple Tracers
宇宙黎明和再电离时代仍然是天体物理学和宇宙学的一个基本但具有挑战性的前沿。我们提倡一种大规模的多示踪剂方法，以全面了解导致第一批恒星和星系形成和演化的物理学。我们强调线强度映射技术来跟踪大尺度上的多相再电离拓扑结构，并详细测量再电离历史。除了21厘米，我们主张在Wouthuysen-Field耦合时期进行Lya层析成像映射，作为宇宙黎明时代的额外探测。
2019-03-28 astro-ph.CO
Constraining Baryon--Dark Matter Scattering with the Cosmic Dawn 21-cm Signal
最近，EDGES低波段射电实验从宇宙黎明探测到了一个非常强的21厘米中性氢信号，这可以解释为，如果冷的暗物质粒子从重子散射，从气体中吸收多余的能量。在这封信中，我们探讨了21厘米信号的扩展范围，这是开放的这种相互作用，改变天体物理参数以及暗物质粒子的属性在尽可能广泛的范围。我们通过比较低频段的检测和EDGES高频段天线的上限来识别与当前数据一致的模型。我们发现，一致的模型预测在宇宙黎明期间的21厘米的波动，是3至30倍之间的最大之前预计没有暗物质散射。预期的功率谱表现出强烈的重子声学振荡的速度依赖的截面印记。后一个签名是一个吸烟枪的速度依赖性散射，并可用于干涉仪，以验证暗物质的解释边缘检测。
2018-02-28 astro-ph.CO
Lyman-$α$ coupling and heating at Cosmic Dawn
来自宇宙黎明的全球21厘米信号受到各种加热和冷却过程的影响。利用基于翼近似的Lyman- $α$（Ly~ $α$）共振谱的解析表达式，研究了Lyman- $α$（Ly~ $α$）光子加热对宇宙黎明21 cm信号的影响。我们导出了一个新的散射修正表达式，并首次给出了Ly~ $α$光子注入冷却的一个简单的闭式表达式。我们进行了一个短参数的研究，通过改变四个数量级的Ly~ $α$的背景强度，并建立一个强大的Ly~ $α$背景是必要的，虽然不是足够的，为了重现最近检测到的强于预期的21厘米的信号由EDGES合作。我们表明，这个Ly~ $α$加热的幅度是小于以前估计的文献中的两个数量级或更多。结果，即使强的Ly~ $α$背景也与EDGES测量一致。对文献中Ly~ $α$加热速率的不同表达式进行了详细的讨论。
2021-04-16 astro-ph.CO
It's Always Darkest Before the Cosmic Dawn: Early Results from Novel Tools and Telescopes for 21 cm Cosmology
21厘米宇宙学是利用中性氢的超精细跃迁对高红移宇宙进行的统计观测，它有可能彻底改变我们对宇宙学和天体物理过程的理解，这些过程是“宇宙黎明”期间第一批恒星、星系和黑洞形成的基础。“通过使用低频无线电干涉仪制作层析成像地图，我们可以研究21厘米信号随时间和空间尺度的演变，并利用它来了解宇宙历史上这一戏剧性时期星系间介质的密度，温度和电离演变。参加我的博士在这篇论文中，我探索了一些进步，以探测和表征来自宇宙黎明的21厘米信号，特别是在其最后阶段，再电离时代。在七个不同的先前发表的论文中，我探索了新的技术，用于干涉测量的统计分析，将它们应用于Murchison Widefield Array等当前一代望远镜的数据，并期待着我们可以用下一代21厘米天文台测量。我特别侧重于估计功率谱的21厘米的亮度温度波动的存在巨大的天体物理前景，以及这些测量可能会限制宇宙黎明的物理。导师：Max Tegmark
2015-06-09 astro-ph.CO
Cosmic Dawn: Studies of the Earliest Galaxies and Their Role in Cosmic Reionization
我回顾了最早期星系研究的最新进展和挑战，当时宇宙的年龄不到10亿年。它们能否被用作宇宙再电离物理学的可靠示踪剂，从而补充其他更直接的星系际介质中性演化探测器？形成恒星的星系是再电离过程的主要因素吗？未来识别最早的没有化学浓缩的系统的前景如何？雄心勃勃的未来设施正在建设中，用于探索红移范围为6至20的星系和星系际介质，对应于我们现在认为的再电离时代的核心。我回顾了我们可以从目前的观察和在不久的将来与现有的设施推断这一时期，并得出结论，在未来的工作需要的关键问题清单。
2014-11-12 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
Line of sight anisotropies in the Cosmic Dawn and EoR 21-cm power spectrum
来自宇宙黎明和再电离时期的红移21厘米信号的视线方向在许多方面与任何其他宇宙学信号相比都是非常独特的。不同的独特效应，如信号的演化历史，物质的非线性特殊速度等，将沿着观测信号的视线轴留下它们的签名。未来SKA-LOW射电干涉仪的主要目标之一是通过这个21厘米的信号观测宇宙黎明和再电离时期。因此，重要的是要了解这些不同的影响如何影响信号的实际检测和正确的解释。在过去的15年里，印度的各个团体一直在积极地试图通过分析模型和模拟来理解和量化这种信号中存在的不同视线效应。在许多方面，这个子领域在21厘米宇宙学下的重要性已经被印度社区确定、强调和推动。在这篇文章中，我们简要地描述了他们的贡献和这些影响的背景下，未来的调查宇宙黎明和时代的再电离，将进行的SKA-LOW。
2016-10-26 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
New simulation of QSO X-ray heating during the Cosmic Dawn
即将到来的无线电干涉仪平方公里阵列预计将首次直接探测到来自宇宙黎明的红移21厘米信号。在这个时代，中性星系际介质的X射线加热所产生的温度波动会显著影响这个信号。之前，在（Ross等人，2017）中，我们提出了第一个大体积，244 $h^{-1}$ Mpc = 349 Mpc的X射线加热的完全数值辐射转移模拟。这项工作是一个后续行动，我们现在也考虑类星体的来源，除了高质量的X射线双星。这两种情况下的图像在SKA 1-LOW分辨率下清晰可辨，RMS波动高于预期噪声。类星体的列入导致显着增加的非高斯信号，如测量的偏度和峰度的21厘米信号。我们的结论是，这种增加的非高斯性是一个有希望的早期类星体的签名。
2018-01-19 astro-ph.CO
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。
2025-04-10 astro-ph.CO
Constraining the clustering and 21-cm signature of radio galaxies at cosmic dawn
本文利用VLA和ATCA的角分尺度各向异性上限约束高红移射电源成团性，证明其对射电效率的约束远强于整体背景强度约束，并显著降低了宇宙黎明21厘米信号的最大深度和功率谱峰值。
2024-01-11 astro-ph.CO
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。
2022-05-08 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
21-cm signal from cosmic dawn - II: Imprints of the light-cone effects
在宇宙黎明和再电离时期的各种未知物理过程的细节可以从红移21厘米信号的观测中提取。然而，这些观测将受到信号沿视线的演变的影响，这被称为“光锥效应”。我们通过后处理暗物质$N-$体模拟与1-D辐射转移代码来模拟这种效应。我们发现，该效果是更强和戏剧性的存在下，不均匀的加热和LY $α$耦合相比，这些过程不占的情况下。当包括光锥效应时，人们发现在大尺度（$k \sim 0.05\, \rm Mpc^{-1}$）上球平均功率谱增加（减少）到3（0.6）倍，尽管这些数字高度依赖于源模型。在功率谱中看到的峰值和凹陷状特征附近，该效应尤其显著。如果在实验中使用的频带的宽度是大的，则峰和谷被抑制，并且因此功率谱可以在很大程度上被平滑。我们认为，这是重要的是要占光锥效应的任何21厘米的信号预测在宇宙黎明。
2015-08-12 astro-ph.CO
On Measuring the 21 cm Global Spectrum of the Cosmic Dawn with an Interferometer Array
从理论上研究了从干涉仪阵列测量的相干光中恢复全局谱的方法以及提取21 cm宇宙曙光信号的可行性。在我们的方法中，全球频谱是通过解决的高次和高阶分量，同时从高达数千个基线测量的vibrium。使用该算法，前景和21 cm信号的失真可以在很宽的条件下正确地恢复。我们发现，3D基线分布可以比2D（平面）基线分布具有更好的性能，特别是当缺乏较短的基线时。我们模拟了地面二维和三维阵列配置，以及位于日地L2点的十字形空间阵列，可以通过轨道进动形成三维基线。在所有的仿真中，我们获得了良好的恢复的全球频谱，并成功地提取了21厘米的信号，与合理的天线数量和观察时间。
2023-02-16 astro-ph.CO
The impact of Lyman-$α$ emission line heating and cooling on the cosmic dawn 21-cm signal
考虑到增强的Ly $α$光子线发射人口III占主导地位的恒星系统在第一个形成的星系，我们显示在$10<z<30$的21厘米宇宙黎明信号可能会大大不同于标准的情况。如果星系内的HII区域是复合束缚的，那么来自星系的Ly $α$光子的能量传递可能会加热星系际气体，或者如果被晕内部的风变红，那么气体的冷却速度会比绝热膨胀更快。在某些情况下，在$15<z<25$可能会达到接近$-500$ mK的21厘米天线温度差，类似于EDGES 21厘米宇宙黎明实验检测到的特征。
2020-06-26 astro-ph.CO astro-ph.GA
21cm signal predictions at Cosmic Dawn and Reionization with coupled radiative-hydrodynamics
宇宙在高红移下的加热和再电离过程联系着小尺度结构/星系形成和大尺度星系间介质的性质。即使第一个很难观测，随着当前和未来射电望远镜的发展，第二个观测窗口正在打开。他们将允许观察21厘米的亮度温度全球信号和波动。因此，大规模模拟的需要是强烈的，以了解将被观察到的IGM的属性。但与此同时，迫切需要解决负责这些进程的结构问题也很重要。在这项研究中，我们介绍了一个耦合的水-辐射转移模拟宇宙黎明和再电离与一个简单的亚网格恒星形成过程的开发和校准的最先进的模拟CoDaII。该方案允许遵循一致的暗物质，流体动力学和辐射转移演化的大尺度上，而亚网格模型的桥梁星系形成规模。我们对模拟进行处理，以产生尽可能接近观测的21 cm信号。
2021-03-04 astro-ph.CO
Dawn of the dark: unified dark sectors and the EDGES Cosmic Dawn 21-cm signal
虽然暗物质和暗能量的起源和组成仍然未知，但它们可能代表一个实体的两种表现形式，就像在统一的暗扇区模型中发生的那样。另一方面，我们对宇宙黑暗部分的理解的进步可能来自宇宙黎明，第一颗恒星形成的时代。特别是，第一次检测到全球21厘米吸收信号在宇宙黎明从边缘实验开辟了一个新的舞台，其中测试模型的暗物质和暗能量。在这里，我们考虑广义和修改Chaobergin气体模型作为候选人的统一暗扇区模型。我们首先限制这些模型对宇宙微波背景数据从\textit{Planck}卫星，然后探讨如何纳入全球21厘米的信号测量的EDGES可以提高限制模型参数，发现Chaobriggin气体模型的参数的不确定性可以减少之间的一个因素$1.5$和$10$。我们还发现，在广义Chaubergin气体模型中，CMB和哈勃常数$H_0$的局部测定之间的张力从$\approx 4σ$减少到$\approx 1.3σ$。总之，我们发现宇宙黎明的全球21厘米信号可以为统一暗区的物理学提供一个非凡的窗口。
2019-11-12 astro-ph.CO gr-qc
Modeling the Radio Foreground for detection of CMB spectral distortions from Cosmic Dawn and Epoch of Reionization
在宇宙黎明和再电离过程中，宇宙重子的演化导致了宇宙微波背景（CMB）的21厘米光谱红移畸变。这些编码信息的性质和时间的第一个来源超过红移30 - 6，并出现在米波长作为一个微小的CMB失真随着银河系和河外无线电天空，这是数量级更明亮。因此，检测需要精确的方法来建模前景。我们提出了一种使用最大平滑（MS）函数的前景拟合方法。我们证明了MS函数的有用性，传统上使用的多项式来分离前景的再电离时代（EoR）信号。我们还研究了使用GMOSS，无线电天空的物理动机模型的合理前景的频谱复杂性的水平，并发现它们确实是平滑的，可以通过MS功能建模到足以辨别EoR信号的香草模型的水平。我们表明，MS功能的损失抵抗和鲁棒性保留EoR信号强度和转折点的残差。最后，我们证明，在使用一个良好的校准光谱辐射计和建模前景与MS功能，全球EoR信号可以检测与贝叶斯方法与90%的置信度在10分钟的积分。
2017-05-03 astro-ph.CO
Impact of Ly$α$ heating on the global 21-cm signal from the Cosmic Dawn
在星系际介质中，Ly $α$光子与中性氢原子的共振散射不仅使自旋温度与动力学温度耦合，而且导致气体的加热。我们调查这种加热的平均亮度温度的21厘米的信号从宇宙黎明的背景下，声称检测的EDGES低波段实验的影响。我们考虑到Ly $α$耦合和加热以及比哈勃冷却更强的冷却来模拟全球信号的演变。使用声称的在$z\approx 17$处检测到强吸收信号作为约束，我们发现排除了强Ly $α$背景。相反，结果有利于一个弱的Ly $α$背景结合过度冷却机制，这是大大强于以前考虑的。我们还表明，由毫荷电重子和暗物质粒子之间的相互作用驱动的冷却机制不再提供一个可行的解释时，李$α$加热的EDGES结果考虑。
2019-12-12 astro-ph.CO
Astro2020 Science White Paper: First Stars and Black Holes at Cosmic Dawn with Redshifted 21-cm Observations
“宇宙黎明”指的是宇宙历史上恒星和黑洞首次形成并开始加热和电离星系际介质（IGM）中的氢的时期。虽然直接探测非常困难，但第一批恒星和黑洞可以通过测量宇宙21厘米的背景来间接地限制，这种背景可以追踪星系间氢气的电离状态和温度。在本白皮书中，我们重点介绍了此类观测的科学案例，特别是那些针对红移z $\gtrsim$ 10的观测，因为IGM预计大部分是中性的。21厘米的观测为这个时代提供了一个独特的窗口，因此对未来十年推进第一颗恒星和黑洞科学至关重要。
2019-03-14 astro-ph.CO
Interacting Dark Energy: Possible Explanation for 21-cm Absorption at Cosmic Dawn
最近的一项观察表明，宇宙黎明时预期的21厘米亮度温度过高。在本文中，我们提出了另一种解释这种现象，在黑暗部门的相互作用。相互作用的暗能量模型最近得到了广泛的研究，文献中有各种各样的暗能量模型。在这里，我们具体到一个特定的模型，以明确的相互作用的影响。
2018-09-11 astro-ph.CO gr-qc
Report of the Topical Group on Cosmic Frontier 5 Dark Energy and Cosmic Acceleration: Cosmic Dawn and Before for Snowmass 2021
本报告总结了Snowmass 2021 CF 5工作组关于暗能量和宇宙加速的设想研究活动：宇宙黎明及之前。科学目标是研究膨胀，并通过精确测量早期宇宙的残余辐射来寻找新的物理学。本十年（2025- 2035年）设想的研究活动是建造和运营主要设施，并开发关键的使能能力。这十年的主要设施是CMB-S4项目，一个新的第五阶段光谱测量设施，以及现有的引力波观测站。使能能力包括调整和投资于理论、计算和模型构建，并投资于未来十年（2035+）早期宇宙研究所需的新技术。
2022-09-17 astro-ph.CO hep-ex
Constraining Lyman-Werner Feedback from Velocity Acoustic Oscillations in the Cosmic Dawn 21 cm Signal
National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences（中国科学院国家天文台）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Ben-Gurion University of the Negev（内盖夫本古里安大学）
研究通过21厘米光锥模拟探索宇宙黎明期间Lyman-Werner反馈参数的约束，利用velocity音波振荡特征提取冷却阈值和反馈效率。
2026-04-19 astro-ph.CO
A Multi-messenger view of Cosmic Dawn: Conquering the Final Frontier
宇宙黎明的时代，当第一颗恒星和星系诞生时，被广泛认为是今天观测宇宙学的最后前沿。绘制宇宙黎明和现在之间的时期提供了对宇宙中90%以上的重子（正常）物质的访问，并解锁了比今天的宇宙学调查多几千倍的傅立叶模式信息。本文综述了从宇宙黎明到现在，重子气体观测作为宇宙学大尺度结构示踪剂的进展。我们举例说明如何描述的暗物质晕可以扩展到描述重子气体丰度和集群。这种创新的方法使我们能够充分利用我们目前的天体物理学知识，从未来的观测约束宇宙学参数。结合多信使探测器的信息内容，这也将阐明宇宙黎明的第一个超大质量黑洞的性质。我们提出了一系列迷人的影响约束物理学超越$Λ$ CDM模型，包括测试的理论膨胀和宇宙学原理，非标准暗物质的影响，并可能偏离爱因斯坦的广义相对论的最大尺度。
2022-02-24 astro-ph.CO gr-qc
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
Imprints of fermionic and bosonic mixed dark matter on the 21-cm signal at cosmic dawn
21厘米的信号，从宇宙黎明的时代之前，再电离组成的一个有前途的观察，以获得新的见解到暗物质（DM）部门。在本文中，我们调查其潜在的约束混合（冷+非冷）暗物质的情况下，其特征在于非冷DM分数（$f_{\rm nCDM}$）和粒子质量（$m_{\rm nCDM}$）。作为非冷DM物种，我们调查了费米子（无菌中微子）和玻色子（超轻轴子）粒子。我们展示了这些方案如何影响全球信号和功率谱使用晕模型实现的21厘米信号在宇宙黎明。接下来的这项研究，我们进行了基于推理的预测研究的基础上，现实的模拟功率谱从平方公里阵列（SKA）望远镜。假设效率低，但非零星形成的minihaloes（即晕与质量低于$10^8$ M $_{\odot}$），我们得到严格的约束$m_{\rm nCDM}$和$f_{\rm nCDM}$，远远超出目前的限制。关于$f_{\rm nCDM}\sim 1$的特殊情况，例如，我们发现了一个约束的$m_{\rm nCDM}>15$ keV（热质量）的费米子DM和$m_{\rm nCDM}>2\times10^{-20}$ eV的玻色子DM。对于相反的情况下，占主导地位的冷DM，我们发现，最多百分之一的总DM丰度可以由一个热的费米子或玻色子遗物。所有约束条件均以95%的置信水平提供。
2022-04-04 astro-ph.CO
21 cm signal from cosmic dawn: Imprints of spin temperature fluctuations and peculiar velocities
21厘米的亮度温度$δT_{\rm b}$波动从再电离承诺提供信息的物理过程中，时代。我们提出了一个形式主义的产生的$δT_{\rm b}$分布使用暗物质模拟和一维辐射转移代码。我们的分析是能够解释的自旋温度$T_{\rm S}$波动所产生的不均匀的X射线加热和LY $α$耦合在宇宙黎明。当气体的$\sim 10\%$（按体积计）被加热到CMB温度以上时，大尺度下的$δT_{\rm b}$功率谱振幅（$k \sim 0.1$ Mpc $^{-1}$）最大。功率谱在宇宙黎明期间显示出类似“隆起”的特征，其位置测量了加热区域的典型尺寸。我们发现，功率谱上的特殊速度的影响是可以忽略不计的大规模的再电离历史的大部分。在早期阶段（当体积平均电离分数$\lesssim 0.2$），这是因为信号由$T_{\rm S}$的波动支配。对于仅由高质量（$\gtrsim 10^9\, \rm M_{\odot}$）晕内的恒星驱动的再电离模型，只有在较小的尺度（$k \gtrsim 0.4$ Mpc $^{-1}$）上，中性氢密度的斑块占主导地位的信号中，特殊的速度效应才是突出的。这些结论不受源的X射线谱的振幅或陡度变化的影响。
2014-12-16 astro-ph.CO
Mapping discrete galaxies at cosmic dawn with 21-centimeter observations
本文通过升级的半数值模拟发现，宇宙黎明时期的21厘米图像由围绕单个星系的巨大高对比度气泡主导，这些气泡将功率谱增强2至7倍，有望被SKA等实验探测到。
2020-08-11 astro-ph.CO
Probing individual sources during reionization and cosmic dawn using SKA HI 21-cm observations
通过HI 21 cm信号中的特征信号探测再电离期和宇宙黎明期的单个光源是探测再电离期的直接途径之一。在这里，我们总结了我们以前的工作，并提出了初步结果的前景，使用SKA 1-低实验检测这样的来源。我们首先讨论了预期的HI 21厘米信号在不同阶段的再电离和宇宙黎明的发光源周围。然后，我们介绍了两个基于可见性的估计检测这样的信号：一个基于匹配滤波技术和其他依赖于简单地结合从不同的基线和频率通道的可见性信号。我们发现SKA 1-low应该能够探测到半径为$R_b \gtrsim 10$ Mpc的电离泡，在红移$z \sim 8$处观测到$\sim 100$ hr，只要平均外中性氢分数$ x_{\rm HI} \gtrsim 0.5$。我们还研究了在已知明亮的类星体周围探测HII区域的可能性，例如Mortlock等人在2011年发现的ULASJ 1120 +0641。我们发现，如果类星体年龄和外部$ x_{\rm HI} $至少分别为$\sim 2 \times 10^7$ Myr和$\sim 0.2$，则用SKA 1-low观测的$600$ hr探测$5 σ$是可能的。最后，我们研究了在宇宙黎明期间探测第一个X射线和Ly-PDMATHAMV源的可能性。我们认为小型类星体一样的来源，在X射线频段发射。我们发现，与总的$\sim 1000$小时的观察，SKA 1-低应该能够检测到这些源单独与…
2016-10-26 astro-ph.CO
Emulating the Global 21-cm Signal from Cosmic Dawn and Reionization
中性氢的21厘米信号是探测再电离期和宇宙黎明的灵敏探针。目前运行的射电望远镜已经迎来了一个数据驱动的21厘米宇宙学时代，为驱动这种信号的源的天体物理特性提供了第一个约束。然而，从数据中提取天体物理信息是非常重要的，需要在广泛的天体物理参数范围内快速生成理论模板。为此，通常采用仿真器，以前的努力集中在预测功率谱上。在这项工作中，我们介绍了21厘米GEM-全球21厘米信号的第一个模拟器从宇宙黎明和EoR。输出信号的平滑度通过设计得到保证。我们训练神经网络来预测宇宙学信号，使用的数据库约30，000模拟信号，通过改变7个天体物理参数创建：恒星形成效率和恒星形成晕的最小质量;第一X射线源的效率及其光谱参数化的光谱指数和低能量截止;电离光子的平均自由程和CMB光学厚度。我们用一组约2，000个模拟信号测试了性能，表明预测中的相对误差具有r.m.s. 0.0159该算法是有效的，每个参数集的运行时间为0.16秒。最后，我们使用模型数据库来检查我们以前报告的全球信号的特征和天体物理参数之间的关系的鲁棒性。
2020-05-28 astro-ph.CO
Primordial Magnetic Fields at Cosmic Dawn: 21-cm Forecasts with HERA and SKA
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；New York University（纽约大学）
本文通过扩展zeus21框架，研究原初磁场对早期结构形成和21厘米信号的影响，预测HERA和SKA的探测能力，结合CMB先验信息提供互补的宇宙学约束。
2026-05-06 astro-ph.CO
Unveiling the cosmic dawn and epoch of reionization using cosmic 21-cm signal
本研究利用宇宙21厘米信号对宇宙黎明和再电离时代进行半解析建模，探讨了原初磁场、宇宙射线质子加热对EDGES信号的影响，并结合MCMC方法约束了再电离模型，指出未来探测将更好地限制早期恒星形成率。
2023-11-21 astro-ph.CO
Probing First Galaxies and Their Impact on the Intergalactic Medium through the 21-cm Observation of the Cosmic Dawn with the SKA
本文综述了高红移恒星和X射线源形成的理论，以及它们对21厘米背景的影响。主要焦点是在宇宙黎明时的莱曼α泵浦和X射线加热机制，通过在21厘米背景中产生相当大的波动，为高红移天体物理学打开了一个新的观测窗口。我们描述了观测前景的功率谱分析和三维层析成像（成像）的签名，这些早期天体物理源SKA 1-LOW和SKA 2。
2015-01-21 astro-ph.CO astro-ph.GA
Stochasticity in the 21cm power spectrum at the epoch of reionization and cosmic dawn
21厘米中性氢谱线很可能是未来几十年研究再电离和喜剧黎明时代的关键探测器。这一前景刺激的理论基础模拟这条线的功率谱的发展。由于即将到来的射电望远镜在高红移时的光束尺寸，大多数理论模型都集中在几个同动百万秒差距以上的尺度上的不均匀性。因此，较小的尺度往往被忽略，并与近似的子网格模型建模。在这项研究中，我们探讨是否小尺度上的扰动（$\lesssim 1h^{-1}\mathrm{Mpc}$）可以影响21厘米的信号在更大的尺度上。两个不同的机制进行了讨论。首先，我们表明，在宇宙黎明小尺度扰动调节的形成时间的第一莱曼α发射体（LAE），因此耦合的自旋和动力学温度的时间。由于LAE的低数密度，耦合的不均匀性包括散粒噪声，并在观察到的21厘米功率谱中表现出来。第二种机制在再电离过程中起作用，此时电离的气泡活跃地生长和重叠。小尺度扰动影响星系的性质和合并历史，从而影响每个星系产生的电离光子的数量。电离光子将星系尺度的扰动带到电离锋尺度，影响21厘米功率谱。我们的结论是，这两个影响引入随机性的潜在观察到的21厘米功率谱，而且，可能会给另一个角度的物理学的第一个星系。
2017-09-13 astro-ph.CO
Ionization from Cosmic Strings at Cosmic Dawn
宇宙弦产生带电粒子，这些带电粒子通过发射电磁辐射，在黑暗时代部分地吸收中性氢。对宇宙弦引起的中性氢电离分数的修正可能会导致新的观测效应和/或对$Gμ\sim 10^{-16} - 10^{-22}$周围的弦张力的新约束，其原始磁场值在$B_0 \sim 10^{-11}-10^{-9}$高斯范围内。
2019-07-18 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Primordial magnetic fields during the cosmic dawn in light of EDGES 21-cm signal
利用EDGES 21-cm信号研究了暗时代和宇宙黎明期原始磁场及其演化的制约前景。我们的分析已经进行了一个'冷IGM'的背景下，这是一个有前途的途径来解释的EDGES信号。我们考虑了暗物质-重子相互作用对过冷的影响。我们发现，较冷的IGM抑制残留的自由电子分数和电离和中性成分之间的耦合系数。康普顿加热在较冷的IGM背景下也会受到影响。因此，IGM加热率由于PMF增强相比，标准方案。因此，对于$B_0 \lesssim 0.5 \, {\rm nG}$来说，相当一部分磁能被转移到IGM，并且在黑暗时代和宇宙黎明期间，与简单的$(1+z)^2$缩放相比，磁场以快得多的速率衰减。这种低PMF是一个不太可能的候选人来解释在较低的红移的边缘吸收信号的上升。我们还看到PMF和DM-重子相互作用一起在IGM温度的红移演化中引入了类似平台的特征。我们发现，PMF的上限依赖于潜在的DM重子相互作用。当相互作用横截面较高和/或DM颗粒质量较低时，可以允许较高的PMF。我们的研究表明，如果考虑适当的DM-重子相互作用截面和DM质量，则可以允许在标准模型中排除的$B_0$到$\sim 0.4 \, {\rm nG}$的PMF。
2020-07-09 astro-ph.CO
Stellar black holes: cosmic history and feedback at the dawn of the universe
从当前大质量恒星演化的理论模型、近远宇宙致密恒星残骸的多次观测以及宇宙化学演化等方面，推断出恒星黑洞形成速率的重要历史宇宙演化。恒星黑洞的平均质量、黑洞/中子星的比例以及黑洞高质量X射线双星（BH-HMXB）/孤立黑洞的比例都随红移而增加。第一代恒星爆发星系中大量BH-HMXB的能量反馈在大多数宇宙再电离时代的宇宙学模型中被忽略了。来自BH-HMXB的强大辐射、喷流和风加热了大体积空间的星系际介质，并使其电离，直到AGN接管。结论是恒星黑洞在高红移时限制了最暗星系的性质。我在这里介绍恒星黑洞历史性宇宙演化的理论和观测依据。关于它们的宇宙影响的详细计算在其他地方提供（Mirabel，Dijkstra，Laurent，Loeb，Pritchard，2011）。
2010-12-22 astro-ph.CO
Intergalactic Magnetogenesis at Cosmic Dawn by Photoionization
我们提出了一个天体物理机制，产生宇宙磁场在再电离时代的详细分析。它基于宇宙中形成的第一个源对星系际介质的光电离。首先导出了诱导方程，然后确定了该机制的特征长度和时间尺度，最后对第一恒星、原始星系和遥远的强类星体进行了数值计算。在这些简单的例子中，产生的磁场强度在源的斯特伦格伦球之间的中性星系际介质中的几百千秒差距的$10^{-23}$ G到几百秒差距的$10^{-19}$ G之间变化。因此，这种机制有助于整个宇宙在大尺度结构形成之前的预磁化。它在再电离时期的任何时候，与任何电离源一起运作。最后，所产生的领域拥有一个特征的空间配置，这可能有助于区分这些种子从那些产生不同的机制。
2015-06-26 astro-ph.CO
Reionisation & Cosmic Dawn Astrophysics from the Square Kilometre Array: Impact of Observing Strategies
对宇宙21厘米信号的干涉测量将彻底改变我们对再电离时代（EoR）和宇宙黎明（CD）的理解。正在进行的努力的高潮将是即将到来的平方公里阵列（SKA），它将提供来自我们宇宙第一个十亿年的21厘米信号的断层扫描。使用由高$z$光度函数提供信息的星系形成模型，在这里，我们预测了SKA低（SKA 1低）的第一阶段可以约束驱动EoR和CD天体物理学的看不见的星系的属性的准确性。我们考虑了三种观测策略：（i）深（1000小时在一个单一的领域）;（ii）中深（100小时在10个独立的领域）;（iii）浅（10小时在100个独立的领域）。使用21厘米的功率谱作为一个汇总统计，保守地只使用21厘米以上的前景楔形信号，我们预测，所有三个观测策略应恢复天体物理参数的$\sim 0.1$的分数精度-10%.The再电离的历史恢复到$Δz \lesssim 0.1$（1 $σ$）的不确定性的大部分时间。中深度策略平衡了热噪声与宇宙方差，导致最严格的约束，略优于深度策略。浅层观测策略的表现最差，最高可达$\sim 10$ --恢复的不确定性增加60%。然而，我们注意到，非高斯汇总统计、断层扫描以及无偏前景去除可能会有利于深度策略。
2019-06-19 astro-ph.CO
Impact of cosmic rays on the global 21-cm signal during cosmic dawn
了解早期宇宙中星系间介质（IGM）热态的演化过程对研究HI 21 cm信号在宇宙黎明期的演化具有重要意义。在这里，我们认为加热的IGM由于宇宙射线质子产生的超新星从早期流行III和流行II星。来自Pop III超新星的低能宇宙射线质子可以从小晕中逃逸出来，并通过碰撞和氢的电离加热IGM。此外，Pop II超新星产生的高能质子可以逃离宿主晕，并通过磁声波阿尔文波加热IGM。我们表明，由于这些宇宙射线粒子的加热可以显着影响IGM温度，因此全球21厘米的信号在$z\sim 14-18$。21厘米吸收剖面的深度、位置和持续时间高度依赖于宇宙射线加热的效率。特别是，EDGES信号可以很好地拟合宇宙射线加热以及莱曼- $α$耦合，和暗物质-重子相互作用，我们认为，以实现“冷IGM背景”。此外，我们认为，宇宙射线的性质和第一代恒星的性质可以通过精确测量全球21厘米的吸收信号在宇宙黎明的约束。
2022-12-26 astro-ph.CO astro-ph.GA
Deep learning from 21-cm tomography of the Cosmic Dawn and Reionization
21厘米功率谱（PS）已被证明是一个强大的判别再电离和宇宙黎明天体物理参数。然而，21-cm断层扫描信号是高度非高斯的。因此，如果仅将PS用于参数恢复，则存在浪费的附加信息。在这里，我们展示了直接从21厘米图像中恢复天体物理参数，使用卷积神经网络（CNN）进行深度学习。使用从10，000个21厘米光锥拍摄的2D图像数据库（每个产生于不同的宇宙学初始条件），我们表明，一个CNN是能够恢复参数描述的第一个星系：（i）Tvir，他们的最低主机晕维里温度（或质量）能够主持有效的恒星形成;（ii）ψ，他们的典型电离效率;（iii）LX/SFR，他们的典型软带X射线光度恒星形成率; E0，能够逃离星系进入IGM的最小X射线能量。对于它们的大部分允许范围，log Tvir和log LX/SFR的回收不确定度< 1%，而log Tvir和E0的回收不确定度在10%以内。我们的结果大致相当于从Monte Carlo马尔可夫链采样的PS与21 CMMC先前分析的两个模拟观测的准确性，虽然我们警告说，我们还没有包括噪音和前景污染物在这个概念验证研究。
2019-02-04 astro-ph.CO
Astrophysical Constraints from the SARAS3 non-detection of the Cosmic Dawn Sky-Averaged 21-cm Signal
对氢原子红移21厘米谱线的观测，已经在21厘米谱线上发现了几个上限，并在$z\sim17$上初步探测到了天空平均信号。这一说法最近受到SARAS 3实验的质疑，该实验报告了一个未探测到的结果，并且是唯一一个足以约束宇宙黎明天体物理学的上限。我们使用这些数据来约束人口的射电发光星系$\sim 200$百万年后的大爆炸（$z\approx 20$）。我们发现，使用贝叶斯数据分析，该数据不利于（在68%的置信度）无线电发光星系的质量$4.4\times10^{5}$ M $_\odot \lesssim M \lesssim 1.1\times10^{7}$ M $_\odot$（其中$M_\odot$是太阳的质量）在$z = 20$和星系中的$>5$ %的气体被转换成恒星的暗物质晕。这些数据不利于星系的射电光度每恒星形成率为$L_\mathrm{r}/\mathrm{SFR} \gtrsim 1.549 \times 10^{25}$ W Hz $^{-1}$ M $_\odot^{-1}$年在150兆赫，一千倍，比今天更明亮，并单独，同步加速器无线电背景超过CMB的$\gtrsim 6%$在1.42千兆赫。
2022-12-01 astro-ph.CO
Strong 21-cm fluctuations and anisotropy due to the line-of-sight effect of radio galaxies at cosmic dawn
据报道，EDGES合作探测到的全球21厘米信号明显强于标准天体物理学预测。一个可能的解释是早期无线电超过了宇宙微波背景。如果高红移星系在产生低频同步辐射方面特别有效的话，这种射电背景可能是由高红移星系产生的。我们以前研究过这种不均匀的无线电背景对21厘米信号的影响，然而，我们做了一个简化的假设，每个氢云看到的背景各向同性。在这里，我们进行了一个完整的计算，占的事实，21厘米的吸收发生沿视线，因此是敏感的无线电源躺在每个吸收云。我们发现，完整的计算大大提高了21厘米的功率谱在宇宙黎明，由两个数量级，另一方面，对全球21厘米信号的影响只在$5\%$水平。除了使高红移的21厘米波动可能更容易观察到，视线无线电效应在21厘米功率谱中引起了新的各向异性。虽然这些效应对于射电效率极高的情况特别大，但它们使得在早期星系中探测到即使是适度增强的射电效率也更加可行。这一点尤其重要，因为EDGES信号一直受到SARAS实验的质疑。
2023-01-11 astro-ph.CO
The morphology of the redshifted 21-cm signal from the Cosmic Dawn
本文利用SURFGEN2工具研究宇宙黎明红移21厘米信号的形态学特征，发现发射区与吸收区在特定填充因子下发生渗流，最大区域呈复杂丝状结构，其数密度随体积呈幂律分布，且平面度、丝状度和亏格随体积增加而增加。
2024-03-26 astro-ph.CO
