CosmoSpec: Fast and detailed computation of the cosmological recombination radiation from hydrogen and helium
我们提出了第一个快速和详细的宇宙学复合辐射的计算过程中释放的氢（红移z ~ 1300）和氦（z ~ 2500和z ~ 6000）的复合时期，介绍了代码CosmoSpec。我们的计算包括重要的辐射转移效应，所有三个物种的500壳层束缚和自由束缚发射，电子散射和自由-自由吸收的影响，以及物种间（HeII --> HeI --> HI）的光子反馈。后一种效应改变了复合辐射的形状和幅度，CosmoSpec比以前的处理方法有了显着改善。利用有效的多级原子和电导方法，一次计算在标准笔记本电脑上只需约15秒，而以前的计算需要数天。考虑到宇宙复合线的探测，以及人们希望从三个复合时期每个氢原子发射的~ 6.1个光子中了解到什么，这是朝着详细预测和可行性研究迈出的重要一步。我们简要地说明了一些参数的依赖关系，并讨论剩余的不确定性，特别是有关碰撞过程和中性氦原子模型。
2015-10-13 astro-ph.CO
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
Recombinations to the Rydberg States of Hydrogen and Their Effect During the Cosmological Recombination Epoch
本文讨论了在宇宙学复合时期氢原子的复合对高激发态（n > 100）的影响。为此，我们开发了一个新的ODE求解器的重组问题，隐式齿轮的方法的基础上。这个求解器允许我们在氢模型中包含多达350个l分辨的壳层或~ 61000个分离的能级，并在~27小时内解决一个宇宙学的复合问题。与我们之前的重组代码相比，这是一个巨大的性能改进，对于我们之前的重组代码，100壳计算（5050个独立的状态）已经需要在单个处理器上花费约150小时。我们表明，对于350壳层的红移z ~200的自由电子分数的结果实际上已经收敛。在z ~200处自由电子分数的最终修改从100个壳层的约\DeltaNe /Ne ~2.8%降低到350个壳层的\DeltaNe /Ne ~1.6%。然而，在大的多极l的CMB功率谱的相关变化是相当小的，因此，精确的计算与普朗克数据的分析已经~100壳预计是足够的。尽管如此，τ的总值仍可能受到显著影响。我们还简要地研究了碰撞对复合动力学的影响。利用我们目前对碰撞率的估计，我们发现在z ~ 700处的修正为\DeltaNe /Ne ~ -0.088%，这主要是由与质子的l变化碰撞引起的。此外，我们目前的宇宙复合谱的结果，表明在低频率碰撞过程是重要的。然而，当前碰撞速率的精确度不足以精确计算ν<~ 1GHz处的复合谱的模板，并且碰撞对复合动力学的影响也受到这些速率的不确定性的影响。
2010-06-14 astro-ph.CO
The 21-cm Signal from the Cosmological Epoch of Recombination
中性氢的红移21厘米发射提供了一个独特的工具，在三维空间中映射早期宇宙的结构形成。在这里，我们提供了第一个详细的计算21厘米发射信号期间和之后的氢复合的红移范围为z ~ 500- 1100，对应于观察到的波长为100-230米。21厘米谱线偏离了与宇宙微波背景（CMB）的热平衡，这是由于氢和氦的复合产生了过量的Ly-alpha辐射。由此产生的21厘米信号达到毫开尔文的亮度温度，比以前估计的大几个数量级。与现有的CMB各向异性二维图相比，未来的月球或天基天文台对它的探测可以大大改善宇宙学初始条件的统计约束。
2013-11-28 astro-ph.CO
Matter temperature after cosmological recombination
宇宙中原子物质的温度保持在宇宙背景辐射的温度，直到在z~100处去耦。在这之后，它的冷却速度比辐射快（\propto是（1+z）^[2]而不是（1+z）），如果天体物理反馈过程没有加热星系间介质，它今天的冷却速度会降到20 mK左右。我们展示了如何康普顿耦合方程的衍生物有助于数值遵循解耦过程。
2009-04-21 astro-ph.CO
Precise cosmological parameter estimation using CosmoRec
我们使用新的宇宙重组代码，CosmoRec，参数估计的背景下（未来）精确测量的CMB温度和偏振各向异性。我们解决的问题，如何以前被忽视的物理过程中的重组模型的Recfast影响的关键宇宙学参数的确定，第一次进行模型的重组问题的模型计算。特别是，我们问的偏见如何取决于不同的参数组合，例如，当改变氦丰度或中微子物种的有效数量除了标准的六个参数。我们还预测了复合修正对于Planck、ACTPol和SPTPol组合数据分析的重要性。此外，我们问的重组校正是真正至关重要的CMB参数估计，以及是否基于红移相关的校正函数Recfast的方法是足够的，在这种情况下。
2011-02-17 astro-ph.CO
Could the Cosmological Recombination Spectrum Help Us Understand Annihilating Dark Matter?
在本文中，我们探讨了DM湮灭对宇宙学复合谱的潜在影响。通过这个例子，我们想证明宇宙学复合谱原则上对复合过程中可能释放的额外能量的细节是敏感的。我们限制自己DM模型产生一个可以忽略不计的原始扭曲的CMB能谱。然而，由于在宇宙复合时期，大部分的能量可以直接进入电离和中性原子的激发，宇宙复合谱和电离历史仍然会受到显着的影响。我们计算修改宇宙学的重组光谱使用我们的多级HI和HeI重组代码，显示额外的光子创建由于DM湮灭引起的跃迁的未补偿回路。正如我们在这里所示，结果取决于详细的分支到加热，电离和激发的沉积能量。在测量宇宙复合谱时，这种依赖性原则上应该使我们能够揭示潜在的湮灭DM模型（或者更一般地说，导致能量注入的机制）的性质。然而，对于目前的上限的潜在DM湮灭率在复合的宇宙学复合谱的影响只在百分之几的水平。尽管如此，我们在这里认为，宇宙复合谱将提供另一个独立的和非常直接的方法来检查在高红移的额外电离或激发光子的来源的存在。这将打开一个新的窗口，可能（非标准）的过程发生（删节）
2009-10-19 astro-ph.CO astro-ph.HE
What it takes to solve the Hubble tension through modifications of cosmological recombination
本文利用 Fisher 偏置方法研究对 ΛCDM 复合过程的微扰修改，发现其可在 Planck CMB 数据下缓解哈勃张力并降低 S8，但加入 BAO 与未标定超新星数据后无法完全解决。
2023-04-25 astro-ph.CO
CRRfast: An emulator for the Cosmological Recombination Radiation with effects from inhomogeneous recombination
本研究开发了可快速准确模拟宇宙复合辐射的公开仿真器CRRfast，补全CLASS的ΛCDM谱畸变建模能力，证实非均匀复合的二阶效应可用于检验哈勃张力相关参数空间。
2023-06-13 astro-ph.CO
Sensitivity forecasts for the cosmological recombination radiation in the presence of foregrounds
宇宙复合辐射（CRR）是宇宙微波背景（CMB）不可避免的$Λ$ CDM谱畸变之一。虽然它显示了跨dm-mm波长的丰富光谱结构，但它也是目标最小的信号之一。在这里，我们进行了详细的预测，预期的灵敏度水平，不仅需要检测，而且还提取宇宙学信息的CRR中存在的前景。我们使用${\tt CosmoSpec}$来计算CRR，包括所有重要的辐射转移效应和对复合动力学的修改。我们确认，整体CRR信号的检测是可能的光谱仪的概念，如${\it SuperPIXIE}$。然而，为了真正利用宇宙学信息，需要$\simeq 50$倍更灵敏的光谱仪。虽然非常未来，这可以提供对原始氦丰度$Y_p$的独立约束，并探测BBN和复合过程中额外相对论自由度的存在。当考虑将CMB光谱仪与现有CMB数据相结合时，显著改善对其他宇宙学参数的约束需要更高的灵敏度（$\simeq 5$的另一个因素）。在很大程度上，这是由于天体物理前景，有趣的是，它并没有降低对$Y_p$和$N_{\rm eff}$的约束。因此，未来的CMB光谱仪可以开辟一种探测非标准BBN场景，暗辐射和无菌中微子的新方法。此外，使用CRR结合现有的和即将到来的CMB各向异性数据，可以间接探测暴胀物理学。
2020-06-08 astro-ph.CO
Cosmological hydrogen recombination: The effect of extremely high-n states
宇宙学氢复合的计算对于从宇宙微波背景（CMB）观测中提取宇宙学参数以及对暴胀和再电离施加约束至关重要。普朗克任务和未来的实验将在小至l~2500的角标度上对CMB各向异性进行高精度测量，这就需要以~10^{-3}的分数精度计算复合。最近的工作包括从高激发态的双光子跃迁和许多辐射转移效应。现代复合计算分别遵循氢原子的角动量子能级，以精确处理后期（z<900）的非平衡效应。包含极高n（n>100）的氢态在计算上是具有挑战性的，直到现在还无法确定预测CMB各向异性谱所需的最大n，并具有足够的普朗克精度。在这里，从一个新的多级原子代码（RecSparse）的结果。对于第一次，“禁止”氢的四极跃迁，但被证明是可以忽略不计的。RecSparse旨在快速计算复合历史，包括氢中极高的n态。计算一系列高达n_max=250的值的历史，分别跟踪氢原子的所有角动量子能级和能量壳层。使用不够高的n_max值（例如，N_max=64）导致错误（例如，1.8普朗克的σ）。外推误差，所得的CMB各向异性谱收敛到0.5 σ在费舍尔矩阵水平的n_max=128，在纯辐射的情况下。
2010-04-15 astro-ph.CO
Quasi-Molecular mechanism of cosmological recombination: a scheme of calculation
本文针对宇宙学复合的准分子机制，基于严格量子力学方法制定计算方案，并以封闭代数形式导出了自由-束缚辐射跃迁至准分子激发态的概率。
2023-07-31 astro-ph.CO physics.atom-ph
Estimating the impact of recombination uncertainties on the cosmological parameter constraints from cosmic microwave background experiments
我们使用我们最近的RICO代码训练集来估计重组不确定性对后验概率分布的影响，这些后验概率分布将从未来的CMB实验中获得，特别是普朗克卫星。用MCMC方法对宇宙学参数的后验分布进行抽样分析，发现在最小六参数LCDM模型中，如果不采用RICO给出的复合历史描述，Planck对n_S、Omega_bh ~ 2和log（As）的偏差分别为-0.7、-0.3和-0.4 σ。其余参数未受到显著影响。我们还表明，宇宙学的依赖与RICO模型的重组历史的修正后得到的普朗克卫星的情况下的后验分布的影响可以忽略不计。在实践中，这意味着，包括额外的纠正现有的重组代码可以实现使用简单的宇宙学无关的“捏造功能”。最后，我们还研究了最近在氢复合处理方面的一些改进的影响，这些改进仍然没有包括在我们当前版本的Rico训练集中，假设这些修正的宇宙学依赖性可以忽略不计。总之，以我们目前对完全复合过程的理解，如果不考虑所有这些修正的话，从普朗克理论推导的宇宙学参数的预期偏差可能分别为-2.3，-1.7和-1 σ。我们注意到，尽管对普朗克可能具有重要意义的物理过程的列表似乎已接近完成，但仍需付出一些努力来验证不同小组所获得的结果。
2009-10-22 astro-ph.CO
Effect of Radiative Feedbacks for Resonant Transitions during Cosmological Recombination
半解析地考虑了由于宇宙学红移而引起的HI $n\to 1$线对HI $(n+1)\to 1$光子的延迟共振重吸收对HI总$n\leftrightarrow 1$跃迁速率的抑制。提出了在简单的三能级近似复合模型框架下考虑这种效应的方法。它被证实，共振反馈影响电离分数在约0.2%的水平上的最后一次散射的时代。提供了氦的HeI $2^1P\leftrightarrow 1^1S$ $\Rightarrow$ HeI $2^3P\leftrightarrow 1^1S$反馈的类似考虑。据证实，允许这种反馈导致预测的自由电子分数增加0.12%，在$z\simeq 2300$。结果表明，考虑到吸收和热化的$2^1P\leftrightarrow 1^1S$共振超平衡光子（在其红移到HeIPDMATHABMR频率）由少量的中性氢（$10^{\rm -7} - 10^{\rm -4}$的总数量的氢原子和离子）存在于氦复合时期是重要的，正确考虑这种氦反馈。
2009-12-30 astro-ph.CO
Cosmology with Recombination Spectrum
精确测量宇宙复合光谱可以为观察早期宇宙提供一个全新的窗口。我们的目标是量化隐藏在宇宙复合谱中的信息，为此，我们开发了一种新的代码，遵循Ali-Haimoud和Hirata（2010），Ali-Haimoud（2013）提出的算法。我们的代码紧密基于COSMOSPEC代码[Chluba and Ali-Haimoud（2016）]。我们发现，使用Fisher信息矩阵，并假设前景可以通过使用更高或更低的频率通道和空间信息减去，超出检测将需要一个实验的灵敏度$25$倍更好的建议的实验PIXIE相比。这样的实验将能够测量宇宙学参数，其精度与CMB各向异性实验具有竞争力。最好的约束参数是重子能量密度，$Ω_{\rm b}$，原则上可以以令人难以置信的精度确定。我们还表明，氢线的形状连接到氢复合的速度，与复合线的峰值重合的复合率的峰值。一般来说，谱线的形状编码了关于作为红移函数的重组率的信息。
2019-10-31 astro-ph.CO
The effect of recombination radiation on the temperature and ionization state of partially ionized gas
所有电离光子中有相当一部分来自辐射复合。然而，在辐射转移计算中，这种复合辐射通常被假定为“当场”吸收，因为对于大多数方法，与包括气体元素作为源相关联的计算成本是过高的。我们提出了一个新的，CPU和内存效率的TRAPHIC辐射转移计划中的电离复合辐射的传输实现。TRAPHIC解决了辐射转移方程，通过跟踪光子包在光速和光子守恒的方式在空间自适应平滑粒子流体动力学模拟。我们的新实现使用TRAPHIC方案的现有功能来添加复合辐射，在模拟箱中充满辐射的分数接近1的极限内，无需额外成本。我们通过模拟光电离平衡中的HII区域并与文献中提出的参考解决方案进行比较来测试实施，发现非常一致。我们应用我们的实现来讨论的HII区域的平衡的演变。我们表明，广泛使用的情况下A和B近似产生准确的电离配置文件，只有附近的源和附近的电离前沿，分别。我们还讨论了复合辐射对光学厚吸收体后面阴影几何形状的影响。我们证明了阴影区可能被扩散复合辐射场完全电离，并讨论了阴影区复合辐射加热的重要作用。
2013-11-01 astro-ph.CO astro-ph.IM
Imprints of the post recombination dissipation of helical magnetic field on the Cosmic Microwave Background Radiation
天体物理磁场衰减主要通过两个过程，即双极扩散和湍流。通过上述过程对宇宙微波背景（CMB）辐射的影响，文献中较早地导出了对非螺旋磁场强度和谱指数的约束。在不同的成磁模型中，磁场也会产生螺旋分量，这可以解释较大的相干长度磁场。在这项研究中，我们专注于研究后复合衰减的最大螺旋磁场通过双极扩散和衰减的磁湍流的影响和这种衰减对CMB的影响。我们发现，螺旋磁场导致重子温度和电离分数的演变的变化，这反过来又导致修改的CMB温度和极化各向异性。这些修改是不同的，由于非螺旋磁场的变化依赖于强度和频谱指数的磁场功率谱。
2020-10-17 astro-ph.CO
Magnetic heating across the cosmological recombination era: Results from 3D MHD simulations
宇宙磁场的起源是一个尚未解决的问题，磁生可能发生在早期宇宙。我们通过三维磁流体动力学数值模拟研究了这种原始磁场在宇宙重组时期的演化。我们计算了衰变磁场对重子的有效加热率或净加热率及其与磁场强度和谱指数的关系。在阻力主导的制度（$z \gtrsim 1500$），在重组之前，我们发现没有真正的加热产生。我们的模拟使我们能够顺利地跟踪一个新的过渡制度（$600 \lesssim z \lesssim 1500$），在那里的磁能衰减，首先，到动能的重子。湍流速度场的建立，直到它饱和，作为净加热率上升，从重组的低值，其峰值接近过渡制度的结束。随后是湍流衰减区（$z \lesssim 600$），其中磁能通过磁场和速度场的湍流衰减消散，而净加热保持可观并缓慢下降。净加热率的峰值和湍流衰减的发生都大大延迟超过重组，高达0.5万年（直到$z\simeq 600-700$），尺度不变的磁场。我们提供了一系列的场强和光谱指数的解析近似和目前的数值结果，说明红移依赖的耗散和净加热率。这些结果可用于研究宇宙微波背景对原始磁场的约束。
2018-05-14 astro-ph.CO
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
Cosmological Hydrogen Recombination: influence of resonance and electron scattering
本文考虑了共振和电子散射对宇宙学氢复合过程中莱曼α光子逃逸的影响。我们特别注意原子反冲，多普勒提升和多普勒展宽的影响，使用Fokker-Planck近似的再分配函数描述光子的散射运动的氢原子的莱曼α共振。我们扩展了我们最近关于3d/3s-1 s双光子通道对氢复合动力学的影响的论文的计算，同时包括了问题的全部时间依赖性，热力学修正因子，导致发射和吸收轮廓之间的频率依赖性不对称性，以及与3d/3s-1 s发射和吸收过程的双光子性质有关的量子力学修正对莱曼α发射轮廓的精确形状的影响。我们发现，由于光子在频率上的重新分布，在z~900处，氢的复合速度加快了DN_e/N_e~-0.6%。对于CMB温度和偏振功率谱，这导致|DC_l/C_l|在l >~ 1500时约为0.5%-1%，因此对于未来在普朗克测量员、SPT和ACT背景下分析CMB数据将是重要的。原子反冲效应（在z~900处DN_e/N_e~-1.2%）是对这种修正的主要贡献，而多普勒增强和多普勒展宽部分抵消了这种修正，使氢复合速率在z~900处再次减慢了DN_e/N_e~0.6%。在z~1100处，汤姆逊可见度函数的最大值附近的电子散射的影响可以忽略不计。（节略）
2009-04-15 astro-ph.CO
Stability of small-scale baryon perturbations during cosmological recombination
本文研究了重子流体在复合过程中的小尺度涨落（重子压力声波）。特别是，我们看看它们的演化中存在的重子和光子之间的相对速度在大尺度上（$k \sim 10^{-1} \ {\rm Mpc}^{-1}$），这是自然存在的去耦的时代。先前的工作得出结论，波动增长是由于重组等离子体中声波的不稳定性，但增长因子对于典型的宇宙学模型来说很小。这些分析模型的重组在一个不均匀的宇宙作为一个扰动的参数均匀的解决方案。我们表明，相关的波数$k\gtrsim 10^3\ {\rm Mpc}^{-1}$的动态显着改变的运输电离连续（$hν>13.6$ eV）和莱曼- $α$光子之间的波峰和波谷的密度扰动。我们解决了这两个频率范围内的光子的辐射转移，并将结果在一个微扰的三能级原子模型。我们的结论是，不稳定性持续在中间尺度。我们使用的结果来估计在$10^{7}$随机实现的大规模相对速度的增长率的分布。我们的研究结果表明，有没有明显的增长，这些$10^7$实现，我们发现的最大增长因子是小于$\approx 1.2$在波数$k \approx 10^{3} \ {\rm Mpc}^{-1}$。不稳定性的低增长因素是由于电子和光子耦合的复合时期的持续时间相对较短。
2015-08-10 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
Lowest order thermal correction to the hydrogen recombination cross section in presence of blackbody radiation
本文基于量子电动力学微扰理论，研究了黑体辐射下氢原子复合与电离截面的最低阶热修正，并讨论了其在实验室及天体物理温度范围内的效应。
2021-08-30 astro-ph.CO physics.atom-ph
The Thermal Sunyaev-Zeldovich Effect of Primordial Recombination Radiation
原初氢氦等离子体的复合辐射导致了宇宙微波背景辐射的普朗克谱形畸变。我们讨论了考虑原始复合辐射（PRR）的热Sunyaev-Zeldovich（SZ）效应。由于在热SZ效应中，光子的重新分布取决于光谱的导数，因此在初始光谱中，由于PRR引起的对SZ效应的相对校正的值显著高于由于PRR引起的相对校正。对PRR引起的热SZ效应的修正计算表明，随团簇参数的不同，在宇宙微波背景辐射（CMB）占主导地位的频率$ν$ = 0.3 - 700 GHz范围内，PRR引起的相对修正具有“纯”SZ效应（即纯普朗克谱的SZ效应）的$10^{-9} - 10^{-6}$量级。来自不同方向（通过团内和近团间介质）的PRR强度差异在$ν\simeq 337$ GHz（在考虑范围内的最大值）达到22 mJy/ster。2)在700 ~ 5000 GHz宇宙红外背景（CIB）显著甚至占主导地位的频率范围内，PRR的相对修正可达到“纯”SZ效应的$ν$- $10^{-5}$。相应的强度差达到高达25 mJ/ster的值（在$ν\simeq 1700$ GHz下）。此外，我们建议修改的方法的电子气温度测定使用的SZ效应由于PRR的校正。这样的修改允许一个简化的集群电子气体温度的测定与已知的方法相比。
2014-02-18 astro-ph.CO
Recombination induced thermodynamic Gaussian cosmological baryonic fluctuations
在某些情况下，例如在相变附近，热力学波动变得宏观相关，并且相对幅度增长远高于标准$N^{-1/2}$标度，其中$N$是粒子的数量。这种大的波动的特征在于尺度不变的高斯功率谱。在这封信中，我表明，突然下降的重子声速跨越重组导致的条件，导致在这样大的热力学高斯波动的重子电离分数。在压力平衡下，这将导致在重子分量中产生标度不变密度和温度涨落的机制，这是重子本身热力学所固有的。在$Λ$ CDM框架内，这种额外的随机波动源导致了暴胀残余小波数谱和高斯随机波动振幅在高于第一声峰的频率处的解耦，这种效应可以解释宇宙微波背景（CMB）推断和哈勃常数的局部动力学测定之间的不匹配。在没有暗物质的修正引力理论中，提出的机制可以作为声峰区域随机高斯密度波动的来源。
2017-10-23 astro-ph.CO
HYREC-2: a highly accurate sub-millisecond recombination code
我们提出了新的重组代码HYREC-2，持有相同的精度作为国家的最先进的代码HYREC和COSMOREC，并在同一时间，超过了通常用于CMB各向异性数据分析的代码RECFAST的计算速度。HYREC-2是基于一个有效的四能级原子模型，精确地解释了氢的高激发态的非平衡，并非常准确地解释了辐射转移效应，并对莱曼- $α$逃逸率进行了修正。后者是用原始的HYREC计算的，并制成表格，作为温度的函数，以及它对相关宇宙学参数的导数。这使得代码能够在普朗克目前允许的宇宙学参数的99.7%置信区间内保持与原始HYREC-2相同的精度，同时在标准笔记本电脑上运行不到1毫秒。我们的代码导致任何宇宙学参数没有明显的偏见，即使在一个理想的宇宙方差有限的实验高达$\ell$ = 5000的情况下。除了CMB各向异性计算，HYREC-2将是一个有用的工具来计算各种可观测的，取决于复合和热历史，如复合光谱或21厘米信号。
2020-10-21 astro-ph.CO
What it takes to solve the Hubble tension through Modifications of Cosmological Recombination II: in light of ACT DR6 and DESI DR2
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；Haverford College（哈弗福德学院）
基于 ACT DR6 和 DESI DR2 数据，通过时变电子质量 $m_e(z)$ 寻找最小修改以解决哈勃张力，发现仅用 CMB 数据可完全解决，但加入 DESI BAO 后无法完全解决。
2026-06-04 astro-ph.CO
Radiative transfer effects in primordial hydrogen recombination
高精度宇宙复合历史的计算是近年来人们特别关注的问题，因为它是预测宇宙微波背景各向异性角功率谱的主要理论不确定性因素。莱曼跃迁，特别是莱曼-α线，由于其非常低的逃逸概率，长期以来一直被认为是复合的瓶颈之一。Sobolev近似不能以足够的精度描述莱曼线附近的辐射转移，并且在其他工作中已经计算了几个校正。本文计算了一些以前忽略的辐射转移效应的影响。首先，汤姆逊散射在莱曼α线附近的效果进行评估，使用一个完整的再分配内核纳入辐射转移代码。本文用解析近似法研究了氢线蓝向的光学厚氘莱曼α线产生畸变的反馈效应。结果表明，在宇宙学氢复合过程中，这两种效应都可以忽略不计。其次，高的重要性，非重叠莱曼过渡进行了评估。它示出，从以上的Ly-gamma和Ly-beta和更高的线的频率扩散线逃逸可以忽略不计的准确性损失。第三，一种形式主义概括的Sobolev近似的开发占的重叠的高躺莱曼线，这是导致可以忽略不计的变化的重组历史。最后，探讨了宇宙学氢复合脉泽的可能性。结果表明，在这里提出的纯辐射处理中不存在这样的脉塞。
2010-09-23 astro-ph.CO
Towards a complete treatment of the cosmological recombination problem
本文提出了一种新的宇宙学复合问题的研究方法，它完成了我们以前对宇宙学氢复合时期双光子过程效应的分析，解释了ns-1 s和nd-1 s拉曼事件以及n>=2能级的双光子跃迁。氢的重组问题是使用一个有效的400壳层多层次的方法，我们随后添加到文献中讨论的所有重要的重组校正到目前为止。我们明确地解决了辐射转移方程的莱曼系列光子场，以获得所需的修改的速率方程的解决水平。与以前的计算结果一致，我们发现2s-1 s拉曼散射导致复合延迟DN_e/N_e~0.9%（z~920）。双光子衰变和拉曼散射从较高的水平（n>3）导致一个小的额外的修改，和精确的结果时，可以获得包括其影响的前3-5壳。这项工作是迈向新的宇宙学重组代码（CosmoRec）的重要一步，该代码取代了Recfast中包含的物理模型，并且由于其运行时间短，可以用于分析未来来自普朗克测量员的CMB数据。
2010-12-07 astro-ph.CO gr-qc physics.atom-ph
Investigation of the electromagnetically induced transparency in era of cosmological hydrogen recombination
对宇宙微波背景形成过程的研究是目前最实际的问题之一。本文分析了氢原子对外光场的响应。场的特征是通过宇宙复合时代的条件来定义的。用三能级原子近似描述了“原子-场”相互作用。结果表明，在这种情况下发生了电磁感应透明现象。考虑EIT现象，有必要更新天体物理学描述的过程中的宇宙微波背景的形成，特别是索博列夫逃逸概率。发现Sobolev逃逸概率定义中光学深度的附加项约为1%。
2012-07-23 astro-ph.CO physics.atom-ph
Emulating Recombination with Neural Networks using Universal Differential Equations
为建模ΛCDM范式外的宇宙学，本研究在因果动力学先验下，用神经网络常微分方程架构（UDEs）开发可微分机器学习模型，自动构建复合历史模拟器，以快速灵活计算电离历史，助力新CMB数据探索新物理。
2024-11-26 astro-ph.CO
Ultrafast effective multi-level atom method for primordial hydrogen recombination
宇宙学氢复合由于其对预测宇宙微波背景各向异性功率谱的重要性，最近又重新引起人们的关注。已经清楚的是，为了获得足够精确的复合历史，有必要考虑大量n >~ 100的氢原子能壳层，分别遵循角动量子态。然而，遵循所有这些能级的总体的多能级原子代码在计算上是昂贵的，限制了最近的分析，只有在参数空间中的几个点。在本文中，我们提出了一种新的方法来解决多能级原子的复合问题，它分裂成一个计算昂贵的原子物理学组件，是独立的宇宙学，和超快宇宙演化组件的问题。原子物理学部分遵循激发态之间的束缚-束缚和束缚-自由跃迁网络，并计算辐射连接到基态的一小部分“界面”态的有效跃迁率。宇宙学演化分量只遵循界面态的布居。通过预表的有效率，我们可以减少多能级原子计算的经常性成本超过5个数量级。所得到的代码是足够快的马尔可夫链蒙特卡罗参数估计算法。它还不包括最近一些论文中考虑的辐射转移或高n双光子过程。为了产生可用于普朗克数据分析的重组码，还需要对这些效应进行进一步的分析处理。
2010-08-14 astro-ph.CO
A consistency test of the cosmological model at the epoch of recombination using DESI BAO and Planck measurements
本文利用DESI第一年BAO数据结合Planck先验，在不假设复合模型的情况下将声视界r_d作为自由参数测量哈勃常数，发现H₀比Planck标准ΛCDM结果高约2σ，提示复合时期可能存在新物理。
2024-09-04 astro-ph.CO
Time of primordial Be-7 conversion into Li-7, energy release and doublet of narrow cosmological neutrino lines
在大爆炸核合成过程中产生的重要轻元素之一是Be-7，当复合变得有效时，Be-7通过电子捕获衰变为Li-7，但在Saha平衡复合达到之前。这意味着Be-7应该等到它的复合时期，即使类氢铍原子的半衰期只有106.4天。考虑到超精细结构子能级的布居数和复合、光电离和转换速率的动力学方程，我们计算了原始Be-7到Li-7的转换发生的时间。我们还计算了Be-7衰变产生的窄中微子偶线的能量和光谱。
2011-05-31 astro-ph.CO nucl-th
DESI and the Hubble tension in light of modified recombination
本文提出用修正宇宙复合历史替代暗能量随时间演化，发现CMB与DESI数据偏好小尺度成团型早期复合，使H0在2σ内与SH0ES一致，并缓解中微子质量限制。
2024-06-14 astro-ph.CO
Detecting cosmological recombination lines with a non-ideal antenna -- a first step to practical realization
针对宇宙复合辐射（CRR）谱线比CMB弱9个数量级且未被探测的问题，本研究首次用非理想天线波束色偏模型模拟探测，证明色偏天线可探测CRR，还揭示天线非理想性容忍度的影响因素，为APSERa实验设计提供参考。
2024-11-28 astro-ph.CO astro-ph.IM
EIT phenomenon for the three-level hydrogen atoms and its application to the era of the cosmological recombination
研究了早期宇宙中的电磁感应透明现象。本文计算了光子在氢原子上单次散射的基本过程，目的是为了在辐射转移理论中应用。发现了依赖于外界条件的附加函数$f$，该函数可以看作是对光学深度的调整，它导致了逃逸概率$p_{ij}(τ_S)\rightarrow p_{ij}(τ_S(1+f))$现代化的必要性。给出了三能级近似下不同原子方案的$f$数值。发现在部分情况下，函数$f$的大小对CMB的形成有显著影响。
2014-03-22 astro-ph.CO physics.atom-ph
On the classical description of the recombination of dark matter particles with a Coulomb-like interaction
冷暗物质（DM）的情况下，可以治愈的几个问题，涉及自相互作用的暗物质。长程相互作用DM模型的可行性关键取决于DM粒子重组的有效性，从而使它们的相互作用短程。通常在数值计算中，复合是用在可行量子能级上得到的截面来描述的。然而，在一个广泛的参数值范围内，一个经典的处理，其中的粒子是由于偶极辐射绑定，是适用的。在两种方法中获得的截面非常不同，并导致不同的结果。经典截面对相对速度的依赖性更大，这导致DM粒子与“暗光子”（DM长程相互作用的载流子）的热背景解耦后，复合过程不会“冻结”，未结合DM粒子的密度逐渐减小。我们的简化估计表明，在所取的参数值下（DM粒子的质量为$100$ GeV，相互作用常数为$100^{-1}$，以及对初始条件的相当自然的假设，结果与初始条件的依赖性很弱），在前星系阶段，剩余密度的差异达到约$5$数量级。这一估计考虑了偶极辐射和复合引起的热效应，这导致DM粒子的温度和密度增加了半个数量级。
2016-09-05 astro-ph.CO
Interplay of CMB Temperature, Space Curvature, and Expansion Rate Parameters
宇宙微波背景温度（CMB），$T$，是最精确测量的宇宙学参数，已从黑体光谱的\it局部测量中得到，精确度达到$\sim 4700$的1分之一。另一方面，目前的精度允许推断其他基本的宇宙学参数在$\sim 1\%$水平的CMB功率谱，星系相关性和透镜，超新星的光度距离测量，以及其他宇宙学探测。标准宇宙学模型的一个基本一致性检验是在复合时对$T$的独立推论。在这项工作中，我们首先使用最近的普朗克数据，补充的第一年的数据发布的暗能量调查（DES），重子声学振荡（BAO）的数据，和万神殿SNIa目录，提取$T$在$\sim 1\%$精度水平。然后，我们探讨$T$，哈勃参数，$H_{0}$，和全球空间曲率参数，$Ω_{k}$之间的相关性。我们的参数估计表明，施加本地约束从SH0 ES实验$H_{0}$结果在显着的统计偏好偏离重组从本地推断的$T$。然而，只有温和的证据被发现在本分析中的本地和宇宙学的估计$T$之间的紧张局势，如果本地约束$H_{0}$放松。包括CMB与BAO、SNIa或两者的所有其他数据集组合不赞成添加新的自由温度参数，即使存在对$H_{0}$的局部约束。仅限于普朗克数据集的分析表明，如果空间是全局平坦的，则在$\gtrsim 95\%$置信水平下，复合时的温度高于复合时的预期温度。
2020-09-30 astro-ph.CO
Magnetic field spectrum at cosmological recombination revisited
如果矢量型扰动存在于复合前的原始等离子体中，则通过哈里森机制，磁场的产生是不可避免的。在标准的宇宙学扰动理论中，一阶标量扰动的非线性耦合会产生二阶矢量扰动，从而产生磁场。本文在前人研究的基础上，重新研究了宇宙学扰动中二阶磁场的产生，并采用新开发的二阶Boltzmann程序，考虑了纯二阶矢量扰动的时间演化，从而进一步研究了二阶磁场的产生.我们证实了由一阶标量模的乘积项得到的磁场振幅与我们以前的研究结果是一致的。然而，我们发现，无论是数值计算和分析，从纯粹的二阶矢量扰动的磁场部分抵消了磁场的一阶标量模式的乘积项，在紧耦合制度中的辐射占主导地位的时代。因此，小尺度磁场的振幅$k \gtrsim 10~h{\rm Mpc}^{-1}$小于先前的估计。在宇宙学复合中产生的磁场的幅度约为$B_{\rm rec} =5.0\times 10^{-24}~{\rm Gauss}$对$k = 5.0 \times 10^{-1}~h{\rm Mpc}^{-1}$。最后，我们讨论了其他作者对磁场振幅的估计存在差异的原因。
2015-06-03 astro-ph.CO gr-qc
Magnetised cosmological perturbations in the post-recombination era
我们研究非均匀磁化宇宙通过后重组时代的牛顿引力和理想的磁流体力学极限的框架。的非线性运动学和动力学方程推导和线性化周围的牛顿对应的爱因斯坦-德西特宇宙。这使得我们可以直接与早期的相对论处理这个问题的方法进行比较。重点线密度扰动的演变，我们提供了新的解析解，其中包括磁压力的影响，以及那些领域的张力。我们证实，场的压力抑制密度畸变的增长，并可以诱导一个纯磁性的牛仔裤长度。在大于上述特征长度的尺度上，不均匀性增长，尽管比非磁化宇宙中的速度要慢。小于磁金斯长度的波长通常以减小的振幅振荡。我们还确定了一个狭窄的范围内的尺度，低于牛仔裤长度，扰动表现出较慢的幂律衰减。在所有情况下，场的影响与其强度成正比，并随着我们逐渐变小的长度而增加。
2015-11-25 astro-ph.CO gr-qc
Eigenmode analysis of perurbations in the primordial medium at and before recombination
宇宙微波背景的各向异性被认为是由于原始介质的扰动，在重组后，导致星系团和星系的形成。目的：我们分析了原始介质的扰动波模式在重组之前，由一个完全电离的重子等离子体，一个强大的黑体辐射领域，和冷暗物质。研究方法：我们使用的相对论运动方程的线性微扰理论，利用一个严格的热力学平衡模型，涉及的辐射能量密度的等离子体温度。结果如下：结果表明，存在一个与重子声波相对应的波模，其相速度接近光速，但暗物质在该波模中的参与很小。相反，暗物质以引力坍缩的形式拥有自己的主导模式，重子等离子体的参与非常少。结论：鉴于重子和暗物质之间的这种非常弱的耦合，计算机模拟大尺度结构和星系形成所假设的初始条件，即假设在重组之后，当星系形成开始时，重子和暗物质密度扰动在分数振幅方面在空间上是一致的，可能是不合理的。此外，在最后一个散射面上重子和暗物质扰动可能的非重合性对分析宇宙微波背景各向异性也有意义。
2022-05-12 astro-ph.CO
Primordial magnetic fields generated by the non-adiabatic fluctuations at pre-recombination era
在预复合时代，宇宙学密度涨落可以通过汤姆森散射自然产生磁场。在以往的研究中，只考虑了初始绝热涨落产生的磁场。本文基于宇宙学扰动理论，利用光子流体和重子流体之间的紧耦合近似，研究了由原初非绝热涨落产生的宇宙学磁场.结果表明，在紧耦合近似的一阶展开下，非绝热涨落产生的磁场是可以产生的。这一结果与绝热初始涨落的情况相反，绝热初始涨落的情况下只能产生二阶的磁场。在一个一般的情况下，原始密度扰动包含小的非绝热波动上的主要绝热的顶部，我们表明，领先的磁场的来源是由二阶耦合的绝热和非绝热波动。我们计算了当非绝热涨落具有蓝色功率谱时所产生的磁场的功率谱，这是最近的宇宙学观测所提出的。
2011-11-25 astro-ph.CO gr-qc
Observational Signatures of the First Galaxies
随着詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的发射，未来十年将有可能探测到一些最早的星系发出的辐射。这些星系中有相当一部分可能是第三星族星团的宿主。对这些星团发射的复合辐射的探测将为原始恒星的初始质量函数（IMF）提供一个重要的新约束。在这里，我回顾了预期的复合线签名的Pop III星，并提出了宇宙辐射流体力学模拟的结果，在第一个星系在z ~ 12的Pop III星暴的初始阶段，从随时间变化的亮度和IMF敏感的复合线的等效宽度的计算。虽然在z > 10的第一个星系中探测到Pop III星团的辐射可能是不可行的，即使使用下一代望远镜，在较低的红移（即z < 6）形成的Pop III星团可能在JWST的深度调查中被探测到。
2010-03-27 astro-ph.CO
Stringent Limit on Primordial Magnetic Fields from the Cosmic Microwave Background Radiation
原初磁场（PMF），在宇宙重组之前就存在，引起小尺度的重子密度涨落。这些不均匀性导致了不均匀的复合过程，改变了宇宙微波背景辐射（CMB）的大尺度各向异性的峰值和高度。利用数值可压缩MHD计算和蒙特卡罗马尔可夫链分析，比较计算的CMB各向异性与\textit{WMAP}和\textit{Planck}卫星观察到的，我们得到的推定PMF的大小的限制。我们发现，{ \it总}剩余的现今字段，集成在所有的尺度，不能超过47 pG的尺度不变的PMFs和8.9 pG的PMFs与紫色Batchelor光谱在95%的置信水平。这些限值比CMB先前规定的PMF限值（未考虑此效应）严格一个数量级以上。
2019-07-11 astro-ph.CO
Ly alpha escape during cosmological hydrogen recombination: the 3d-1s and 3s-1s two-photon processes
我们给出了莱曼α光子的辐射转移方程的一个公式，它允许我们包括宇宙学氢复合过程中3s-1 s和3d-1 s衰变通道的双光子修正。我们用这个方程来计算的Lyman α光子在氢复合过程中的Sobolev逃逸概率的修正，然后让我们计算的变化，在自由电子分数和CMB温度和偏振功率谱。结果表明，在z~1400处，与Sobolev近似相比，有效逃逸几率变化了DP/P ~+ 11%.在z~1190处，这使氢的复合速度加快了DN_e/N_e ~- 1.6%，这意味着|DC_l/C_l| l >~ 1500时约为1%-3%，CMB功率谱中最大值和最小值的位置发生了偏移。这些修正对于分析未来的资本市场管理局数据将是重要的。总校正是三个独立过程叠加的结果，涉及（i）问题的时间依赖性方面，（ii）由于莱曼α线附近的发射和吸收轮廓形状与正常洛伦兹线的量子力学偏差引起的校正，以及（iii）热力学校正因子，这是非常重要的。所有这些修正在Sobolev近似中都被忽略了，但它们在未来的CMB观测中很重要。所有这三个可以自然地获得在莱曼α吸收过程的双光子配方。然而，修正（i）和（iii）也可以在正常的“1+1”光子语言中推导出来，而不一定要去双光子图像。因此，只有（ii）是真正相关的量子力学方面的双光子过程（删节）
2009-04-02 astro-ph.CO astro-ph.GA
Phenomenology of Modified Gravity at Recombination
我们讨论的现象学印记的修改重力在早期宇宙的重组时间的具体重点。我们得出几个有趣的结果，这样的修改对宇宙学观测的影响，特别是对声振荡的驱动和定相，观察到的CMB和BAO，以及弱引力透镜的CMB和星系的形状。这扩大了可用于当前和未来测量的重力测试的测量池，特别是实现了CMB频谱主峰结构的全部约束能力。我们调查这样的现象是否可以放松宇宙学测量之间的紧张关系，并发现在重组时的引力常量的修改将有助于调和测量的CMB与本地测量的哈勃常数。
2018-10-04 astro-ph.CO gr-qc
Exact solution to perturbative conformal cosmology in the recombination era
研究了与共形引力相关的宇宙学中的宇宙学扰动理论，建立了它的分解定理的有效性，并利用该定理在复合时代给出了该理论的精确解。我们的方法的核心是使用一个完全规范不变的宇宙学波动方程的制定。在复合时代，不仅微扰理论是适用的，因为它的特定结构，在共形的情况下，波动方程被发现大大简化。使用标量，矢量和张量波动模式的主方程，我们表明，径向方程的三维矢量和张量模式分别是相同的标量模式在5和7个空间维度。这使我们能够构造三维模式的归一化条件。
2020-11-17 astro-ph.CO gr-qc
Combining pre- and post-recombination new physics to address cosmological tensions: case study with varying electron mass and sign-switching cosmological constant
本文通过案例研究表明，结合变化电子质量和变号宇宙学常数等重组前后新物理仍无法解决哈勃张力，并揭示物质密度参数Ωm在其中的关键制约作用。
2024-09-23 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Testing dark energy after pre-recombination early dark energy
在复合前早期暗能量（EDE）的研究中，复合后宇宙的演化通常被认为是类$ΛCDM$的，对应于导致电流加速膨胀的暗能量的状态方程是$w=-1$。然而，在现实的模型中，$w$可能正在演变。我们分别考虑了Axion-like EDE和AdS-EDE模型中$w$相对于红移$z$的参数化.我们用最近的宇宙学数据进行了Monte Carlo Markov链分析，发现最佳拟合的$w(z)$与$w_0=-1,w_a=0$（宇宙学常数）相容，并且$w$的演化只在很小程度上有利，因此对提升${H_0}$的最佳拟合值影响不大.
2022-08-31 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Molecules in the early Universe
在具有宇宙常数和冷暗物质的宇宙模型中，研究了第一分子、负氢离子和分子离子的形成。宇宙学的复合是在修正的有效三能级原子模型的框架下描述的，而化学反应的动力学是在氢、氘和氦的最小模型的框架下描述的。结果表明，由于宇宙学复合计算的不准确性而引起的分子丰度的不确定度约为2- 3%。宇宙学参数值的不确定性对分子、负氢离子和分子离子丰度的影响可达2%。在没有宇宙学再电离的情况下，在红移$z=10$处，丰度与氢丰度之比为：$H^-$为$3.08\times10^{-13}$，$H_2$为$2.37\times10^{-6}$，$H_2^+$为$1.26\times10^{-13}$，$HD$为$1.12\times10^{-9}$，$HeH^+$为$8.54\times10^{-14}$。
2017-12-12 astro-ph.CO
Pushing the Limits of Atomic Dark Matter: First-Principles Recombination Rates and Cosmological Constraints
C.N. Yang Institute for Theoretical Physics, Stony Brook University（纽约州立大学石溪分校杨振宁理论物理研究所）；Physics and Astronomy Department, Stony Brook University（纽约州立大学石溪分校物理与天文系）
该研究通过分析原子暗物质的再结合和冷却机制，结合CMB数据对暗物质参数空间提出新的约束。
2026-02-10 astro-ph.CO hep-ph
Constraints on the Injection of Radiation in the Early Universe
University of Utah（犹他大学）；University of Hawai’i（夏威夷大学）
研究早期宇宙中辐射注入对有效中微子数和质子-熵比的影响，发现电磁辐射注入可能限制额外辐射不超过25%。
2026-04-07 astro-ph.CO hep-ph
Cosmological perturbations for an inflaton field coupled to radiation
在相互作用流体形式主义的框架内，我们提供了数值解的玻尔兹曼方程描述的暴胀场耦合辐射的演变。我们研究了系统的行为在慢滚制度，在这种情况下，其中一个额外的随机源项是包括在一组方程，我们恢复的表达式为宇宙学扰动以前得到的暖膨胀的情况。
2015-01-07 astro-ph.CO
