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。
2024-02-29 astro-ph.CO
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。
2019-11-21 astro-ph.CO
Dark ages reionization & galaxy formation simulation XII: Bubbles at dawn
直接探测电离氢（HII）区域已被认为是宇宙再电离的一种有前途的探测方法。观测来自再电离时代（EoR）的氢的红移21厘米信号是新一代低频无线电干涉仪背后的关键科学驱动力。我们调查的可行性相结合的低频观测与平方公里阵列和近红外测量数据的宽视场红外巡天望远镜探测宇宙再电离成像HII气泡周围的大质量星系在宇宙黎明。虽然个别气泡将太小，无法检测到，我们发现，通过堆叠红移21厘米光谱集中在已知的星系，它将有可能直接检测到EoR在$z \sim 9-12$，并放置定性约束的星系际介质（IGM）的自旋温度的演变在$z \geq 9$。特别地，给定使用该技术检测电离气泡，可以确定它们周围的IGM通常是吸收还是发射。由于HII区域的平均尺寸的简并性，使用这种方法确定IGM的全局平均中性分数将被证明是更加困难的。
2017-07-21 astro-ph.CO astro-ph.GA
On the Possibility of Detecting a Global Signal in the Line of the Hyperfine Structure of Hydrogen from the Dark Ages
本文评估利用 UTR-2 与 GURT 探测黑暗时代红移至约16 MHz的氢21 cm全局信号，分析强前景与干扰抑制，认为经25 MHz带宽积分约50天有望实现。
2024-02-29 astro-ph.CO
Cosmic mysteries and the hydrogen 21-cm line: bridging the gap with lunar observations
本文探讨了月球观测氢21厘米信号的科学价值，指出其相较于地面观测能更精确地探测黑暗时代和宇宙黎明，从而检验宇宙学、暗物质及第一代恒星与黑洞的性质。
2024-01-17 astro-ph.CO
Sensitivity of the redshifted 21 cm signal from the Dark Ages to parameters of primordial magnetic fields
Ivan Franko National University of Lviv（利沃夫伊万·弗兰科大学）；Bogolyubov Institute for Theoretical Physics of the NAS of Ukraine（乌克兰国家科学院博戈留博夫理论物理研究所）；Dipartimento di Fisica e Astronomia, Universitá di Bologna（博洛尼亚大学物理与天文学系）
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。
2025-12-11 astro-ph.CO
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。
2010-05-21 astro-ph.CO
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。
2011-06-26 astro-ph.CO
Beacons into the Cosmic Dark Ages: Boosted transmission of Ly$α$ from UV bright galaxies at $z \gtrsim 7$
最近探测到来自$z>7.5$星系的Lyman alpha（Ly $α$）发射有点出乎意料，因为在这个星系际介质（IGM）仍然高度中性的时代，以前没有探测到。但这些检测来自UV明亮的星系，它们优先生活在早期的过密度中，并且具有显着的多普勒频移Ly $α$线轮廓，从它们的星际介质（ISM）中出现，使它们受全球IGM状态的影响较小。再电离模拟和经验ISM模型相结合，我们表明，由于这两种效果，紫外明亮的星系在overdensities有$>2\times$更高的传输通过$z\sim7$ IGM比典型的场星系，这种增强的传输增强的中性分数的增加。增强的透射率不足以解释观测到的$M_\mathrm{UV} \lesssim -22$星系的高Ly $α$分数（Stark et al. 2017），这表明由于增强的生产和/或选择效应，这些星系发射的Ly $α$必须比预期的更强。尽管偏紫外明亮的星系居住在overdensities，我们显示LY $α$观测这些星系可以准确地测量全球中性氢分数，特别是当LY $α$从紫外暗淡的星系熄灭，使它们成为理想的候选人光谱后续到宇宙黑暗时代。
2018-04-12 astro-ph.CO astro-ph.GA
Resonant Scattering and Ly-alpha Radiation Emergent from Neutral Hydrogen Halos
利用一种求解辐射转移积分-微分方程的数值方法，研究了Ly $α$光子$ν_0$从含有中心光源的光学厚晕中出射的通量.我们的重点是时间依赖的共振散射的影响。我们首先表明，在晕中的光子的频率分布迅速接近共振频率周围的局部热化状态，即使当辐射的平均强度是高度依赖于时间。由于初始条件在热化过程中被遗忘，如果出射光子主要来自热化态光子，则通量的某些特征，如其轮廓的双峰结构，实际上与中心源的本征宽度和时间行为无关。在这种情况下，差$|ν_{\pm}-ν_0|$（其中$ν_{\pm}$是通量的两个峰值的频率）不能小于多普勒展宽的$2$倍。然后，我们研究了中心源发射的光是闪光的情况下的辐射转移。我们计算了来自晕的通量的光变曲线。它表明通量仍然是一个闪光。然而，通量的闪光持续时间与光源的原始持续时间无关，而是取决于光晕的光学深度。因此，共振光子的空间转移是一个扩散过程，即使它不是纯粹的布朗扩散。这种性质使得光学厚晕能够在中心源发射停止后很长一段时间内在$ν_0$周围捕获和存储热化光子。被捕获在晕中的光子可以产生延迟辐射，其谱线也呈现出与局部热化光子谱线相同的双峰结构。讨论了这些结果的可能应用。
2010-05-03 astro-ph.CO
The Signature of Sub-galactic Dark Matter Clumping in the Global 21-cm Signal of Hydrogen
本研究结合流体动力学模拟与大规模网格，精确计算了非线性结构形成对全球21厘米射电强度的影响，揭示了在黑暗时代和宇宙黎明期间探测亚星系级暗物质团块化效应的潜力，为检验暗物质本质和非标准宇宙学模型开辟了新途径。
2025-09-14 astro-ph.CO
Edges and Endpoints in 21-cm Observations from Resonant Photon Production
我们引入了一类新的签名-光谱边缘和端点-在21厘米测量标准和暗部门之间的相互作用。在动力学混合暗光子的背景下，我们演示了如何共振暗光子到光子转换可以在观察到的21厘米亮度温度中留下独特的光谱特征，并对当前，即将到来的和拟议的针对宇宙黎明和黑暗时代的实验产生影响。这些特征开辟了一种定性的新方法，使用21厘米观测来寻找超越标准模型的物理学。
2020-09-08 astro-ph.CO hep-ph
Bulk Flows and End of the Dark Ages with the SKA
早期宇宙是一个宝贵的探索原始物体的诞生，第一个恒星形成事件和随之产生的光子和重元素。宇宙学线性微扰理论的高阶修正预言了在退耦时刻相干超音速气流运动的形成。这些体流影响气体冷却过程，并决定了整个重子演化的级联效应。通过对不同恒星星族中不同物种的原子分子演化、气体冷却、恒星形成、反馈效应和金属扩散等N体流体动力学化学数值模拟，讨论了这些原始体流在黑暗时代末期的作用以及在第一次Gyr期间的可探测影响。早期的大量流动会抑制分子气体冷却能力，抑制恒星形成，金属扩散和婴儿宇宙中小原始星系的丰度。这可以确定再电离过程和中性氢加热的延迟，使宇宙演化期间可观察到的HI信号变得更加不完整和嘈杂。计划中的SKA任务将代表现有仪器的重大进步，因为它将能够探测z ~ 6-20处的HI 21 cm和z ~ 20-40处的第一个坍缩点的分子线发射的影响。因此，解决原初流运动对早期重子演化的影响和对第一Gyr结构形成的约束将是最佳的。
2015-01-16 astro-ph.CO astro-ph.GA
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。
2022-06-02 astro-ph.CO
Dark-ages reionization & galaxy formation simulation V: morphology and statistical signatures of reionization
本文利用数值模拟中的暗期、再电离和星系形成观测量（DRAGONS）框架，研究了星系形成物理对再电离期（EoR）电离氢（HII）区形态和统计的影响。DRAGONS自洽耦合半解析的星系形成模型与非均匀电离紫外背景，因此可以用来研究的电离源星系人口的反馈现象的形态和统计的依赖性的再电离。星系形成物理学的变化改变了HII区域的大小以及21厘米功率谱的振幅和形状。在星系物理学的研究中，我们发现超新星反馈在再电离中起着最重要的作用，在没有这种反馈的情况下，HII区域高达$\approx 20$ %的较小和功率谱振幅的分数差异高达$\approx 17$ %。我们比较我们的星系形成为基础的再电离模型与过去的计算，假设恒定的恒星晕质量比，并发现，正确选择的最小晕质量，这样的模型可以模仿预测的再电离形态。因此，在固定的中性分数的再电离形态是唯一的决定由星系形成的细节，但对托管的电离源的大部分晕的质量是敏感的。因此，简单的EoR参数化是再电离统计的准确预测。然而，使用未来的21厘米观测来完全理解再电离将需要结合其他观测，用现实的星系形成模型来解释。
2016-08-15 astro-ph.CO astro-ph.GA
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
Global 21-cm Cosmology from the Farside of the Moon
黑暗时代和宇宙黎明是宇宙中最后一个未被探索的窗口之一，可以使用一个简单的低频射电望远镜从稳定，安静的月球远端测量全球21厘米光谱。这个前沿仍然是我们对宇宙知识的巨大差距。物理学和宇宙学的标准模型在这个关键时期还没有经过检验。这一时期的信息信使是来自中性氢超精细跃迁的1420 MHz（21 cm）辐射，由于宇宙的膨胀，多普勒频移到低射电天文学频率。全球21厘米光谱独特地探测了黑暗时代的宇宙学模型以及宇宙黎明期间不断发展的天体物理学，对第一批恒星、吸积黑洞和奇异物理学（如暗物质-重子相互作用）产生了约束。由于中性氢的普遍存在，单个低频射电望远镜可以测量~10-110 MHz之间的全球频谱。需要精确描述望远镜及其周围环境，才能在明亮的前景银河辐射中探测到这种微弱的、各向同性的氢发射。我们描述了如何两个天线将允许在整个频带的观测：一对正交线天线和0.3米$^3$贴片天线。一个四通道相关分光偏振仪形成了探测器电子学的核心。技术挑战包括先进的校准技术，以解决明亮前景和微弱的21厘米信号之间的协方差，使用类似于CMB的技术，温度波动> 250 C的热管理，以及允许在两周的月球夜晚运行的高效电力。这个简单的望远镜为月球远侧干涉仪阵列测量黑暗时代的功率谱奠定了基础。
2021-03-08 astro-ph.CO
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。
2025-07-30 astro-ph.CO
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。
2025-09-19 astro-ph.CO
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。
2019-03-14 astro-ph.CO
Probing the Epoch of Reionization with Low Frequency Arrays
再电离时代（EoR）是宇宙中氢在“黑暗时代”之后重新出现的时代。这是宇宙中氢所经历的两个主要相变中的第二个，第一个阶段是氢在红移约1100处变成中性的复合时代。EoR发生在z = 10附近，可能是由第一个辐射发射天体物理源引起的，因此它对我们理解宇宙何时以及如何“决定”开始形成天体物理对象以及如何影响宇宙中随后的结构形成至关重要。因此，EoR与宇宙学中的许多基本问题有关，星系形成，类星体和非常贫金属的恒星;所有这些都是现代天体物理学中最重要的研究问题。红移的21 cm超精细谱线被广泛认为是详细研究EoR的最有前途的探针。在不久的将来，一些低频射电望远镜（LOFAR、MWA、GMRT和SKA）将能够观测到来自高红移宇宙的21厘米辐射。在本文中，我提出了我们目前的电离过程的图片，审查21厘米线物理和讨论的挑战，目前的一代实验预计将面临的。最后，我讨论了SKA在探索EoR和宇宙的黑暗时代的潜力。
2010-02-13 astro-ph.CO
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
Wedge-avoidance Fisher Forecasts for Primordial Features from Dark-Ages 21-cm Power Spectrum and Bispectrum
National Astronomical Observatories, CAS（中国科学院国家天文台）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
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。
2026-10-14 astro-ph.CO
The first spectral line surveys searching for signals from the Dark Ages
我们的目标是观测研究宇宙的黑暗时代，以约束恒星和结构的形成模型，以及在早期宇宙的化学演化。在高红移的原始微扰中，原子和分子的谱线可以提供关于早期宇宙中第一批恒星形成之前和期间的条件以及再电离时代的信息。这些谱线可能是在第一颗恒星形成之前，由移动的原始扰动产生（共振散射谱线），也可能是较低红移的热吸收谱线或发射谱线。在这些搜索中的困难是，源红移和演化状态，以及分子种类和过渡是未知的，这意味着所观察到的线可以在很宽的频率范围内。预计这些线路也将非常薄弱。从空间进行观测具有稳定和缺乏大气特征的优点，而大气特征在这类观测中很重要。因此，作为我们搜索的第一步，我们利用Odin卫星对几个位置进行了两组谱线调查。第一次调查覆盖了两个位置的547 - 578 GHz频段，第二次调查覆盖了六个位置的542.0 - 547.5 GHz和486.5 - 492.0 GHz频段，以测试不同大小的原始云。还对一个位置进行了以543.250和543.100 GHz为中心的两次深度搜索，带宽为1 GHz。H2的两个最低转动跃迁将被红移到这些频率，从z~20 - 30，这是第一个恒星形成的预测时期。两次勘测分别在14 - 90和5 - 35 mK的均方根水平上没有检测到谱线，在1 - 16 MHz的信道间隔下进行深度搜索时，在2 - 7 mK的均方根水平上没有检测到谱线。所覆盖的宽带宽允许探索许多原子和分子物种和…
2010-03-15 astro-ph.CO
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$k=0.1 \, {\rm Mpc}^{-…
2018-11-09 astro-ph.CO
Observable cosmological vector mode in the dark ages
在宇宙学扰动理论中，一阶标量模的耦合不可避免地会产生二阶矢量模，这可能会阻碍21 cm透镜观测对暴胀产生的原初引力波的探测。本文通过将21 cm透镜信号的偏转角分解为梯度模和旋度模，研究了二阶矢量模诱导的暗时代中性氢原子发射的21 cm光子中的弱透镜信号。旋度模是宇宙学矢量模和张量模的一个很好的示踪剂，因为标量模不诱导旋度模。通过比较二阶矢量模诱导的21 cm透镜旋度模与张量标量比为$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。
2016-09-16 astro-ph.CO
Primordial black holes and the velocity acoustic oscillations features in 21 cm signals from the cosmic Dark Ages
National Astronomical Observatories, CAS（中国科学院国家天文台）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Stellenbosch University（斯坦伦布什大学）
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。
2026-04-02 astro-ph.CO
Cosmology from the Highly-Redshifted 21 cm Line
未来十年最令人兴奋的前景之一是探索宇宙“黑暗时代”，在此期间，宇宙中的第一批恒星形成，中性氢的21厘米线。在z>6时，这种光红移到低频无线电区域，可以用新一代的宽场阵列观察到。这些实验有可能观测到巨大的体积，并大大改善宇宙学和天体物理学的约束。在本白皮书中，我们描述了未来十年将如何看到释放这种潜力的第一步，使我们能够回答关于我们宇宙和星系际介质的基本物理学的两个关键问题：标准宇宙学模型是否描述了“黑暗时代”的宇宙？“在这个重要的时期，星系际介质是如何演变的，以氢的再电离结束的？
2009-02-18 astro-ph.CO
Searching for the hydrogen 21 cm line in cosmos
人们普遍认为，研究中性氢的21厘米发射线可能是我们了解黑暗时代和再电离时代（EoR）第一个结构产生的最大希望。这种超精细跃迁是由于氢中电子和质子之间的自旋-自旋相互作用而发生的：平行自旋（三重态）的能量大于反平行自旋（单线态）的能量。这种跃迁是强烈禁止的，$2.6 \times 10^{-15} \mathrm{s}^{-1}$的跃迁概率非常低。尽管它的几率很低，但由于宇宙中氢的丰度，21厘米的超精细跃迁是观测天文学中最重要的工具之一。基态的相对占据数和激发态的相对占据数决定了21 cm发射或吸收的强度。碰撞或所谓的Wouthuysen-Field效应都可以激发21 cm线。本文简要介绍了21 cm发射的基本物理过程，并重点介绍了目前世界上主要的21 cm信号实验。我们还讨论了天文学和宇宙学中的几个相关概念与这些观测。
2021-07-31 astro-ph.CO gr-qc
A Designer's Guide to Lunar Far-Side Interferometer Array: Power Spectrum Measurement and Cosmological Constraints from the Dark Ages
National Astronomical Observatories of China, CAS（中国科学院国家天文台）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
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。
2026-05-29 astro-ph.CO
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
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。
2019-02-16 astro-ph.CO
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。
2025-04-11 astro-ph.CO
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。
2020-12-11 astro-ph.CO
The Hydrogen Mixing Portal, Its Origins, and Its Cosmological Effects
氢振荡进入暗扇区状态$H'$最近被提出作为一种新的机制，通过这种机制，氢可以在暗时代被冷却-标准模型和暗物质之间没有直接耦合。在这项工作中，我们证明了所需的混合可以从微物理理论中自然出现，并认为与标准宇宙学的惊人偏差仍然与观测结果一致。对称镜像模型在$H$和$H'$之间强制执行必要的简并，并且额外的扭曲$B+L'$对称性指示$H$ - $H'$混合是扇区之间的主要连接。我们写下一个UV完成，其中$\sim$ TeV尺度的leptoquark产生部分子12维混合算子，从而连接到能量前沿。有一半的$H$原子振荡成$H'$，宇宙的组成在其历史的一部分是惊人的不同。我们定性地讨论了结构的形成：它在标准模型扇区的修改和它在镜像扇区的可能性，这是最近提出的早期超大质量黑洞之谜的解决方案。虽然SM重子的惊人损失主要是在再电离过程中自擦除，但据我们所知，这是第一个表明宇宙后期应该存在缺失重子的模型，并高度激励了一个持续的，强大的观测计划，高精度搜索宇宙重子。
2020-12-11 astro-ph.CO hep-ph
A Lunar Farside Low Radio Frequency Array for Dark Ages 21-cm Cosmology
月球背面的低频偶极天线阵列将探测早期宇宙中一个独特的、未被探索的时代，称为黑暗时代。它开始于中性氢原子形成时的电离，这是由宇宙微波背景首次揭示的。这个时期没有恒星和天体物理学，因此非常适合研究高能粒子过程，包括暗物质、早期暗能量、中微子和宇宙弦。美国宇航局资助的一项研究调查了该仪器的设计和部署策略，从月球表面10 kmx 10 km区域的128对天线偶极子着陆器。天线节点被拴在着陆器上，用于中央数据处理、电力和数据传输到中继卫星。该阵列名为FARSIDE，将提供在1400个频道中对整个天空进行成像的能力，频率范围从100 kHz到40 MHz，比地面射电天文学可访问的波段低两个数量级。月球背面可以同时提供对地面射频干扰、地球极光千米辐射和来自太阳风的等离子体噪声的隔离。因此，它是内太阳系内唯一可以在亚兆赫频率上进行天空噪声有限观测的地点。通过轨道信标的精确校准和精细的前景表征，远端阵列将测量红移z~35-200的黑暗时代全球21厘米信号。它也将是一个更大的21厘米功率谱仪器的探路者，通过仔细测量前景与高动态范围。
2021-03-15 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
