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
CMB polarization anisotropies from cosmological reionization: extension to B-modes
对宇宙电离历史的准确理解在现代宇宙学中起着基础性的作用。它包括标准复合时期之后的宇宙学再电离阶段，可能与结构和恒星形成的早期阶段有关。虽然简单的“τ-参数化”的再电离过程，特别是它的印记上的CMB各向异性可能代表一个足够准确的模型解释当前的CMB数据，一个很大的注意力最近已经提出了在CMB的再电离签名的准确计算的各种天体物理方案和物理过程。这项工作的目的是在一个仔细的表征的印记中引入的偏振各向异性，特别注意的B-模式。我们已经实现了一个修改版本的CAMB，宇宙学玻尔兹曼代码计算的角功率谱（APS）的各向异性的CMB，介绍了氢和氦的电离分数预测天体物理和唯象再电离的历史，超越简单的τ参数化。我们比较了这些模型的所有非零（在假设的情况下）模式的CMB APS获得的结果。的振幅和形状的B模式APS取决于，特别是在张量标量比，r，并在再电离的历史，因此，再电离过程的精确建模将有影响的精确测定r或设置更精确的约束，通过联合分析E和B模式的偏振数据，可在未来的下一代的任务。同时考虑到天体物理前景潜在残差的限制，我们讨论了下一个数据在很宽的r范围内对不同再电离情景进行分类的能力。
2012-05-02 astro-ph.CO
Mean Energy Density of Photogenerated Magnetic Fields Throughout the Epoch of Reionization
磁场在宇宙中无处不在。它们似乎存在于几乎所有的尺度和所有的时代。然而，宇宙学尺度上的场是天体物理学的还是宇宙学的起源仍然是一个悬而未决的主要问题。在这里，我们专注于天体物理机制的基础上的星系际介质的光电离在时代的再电离。基于以前描述孤立电离源周围物理机制的研究，我们在这里提出了一个分析模型来估计这种机制对整个宇宙磁化的贡献水平，这要归功于源的分布，在早期发光结构形成之前和旁边。该模型表明，在任何放大过程之前，宇宙可能会通过这种机制被整体磁化到至少几个$10^{-20}$ ~G随动的量级（即再电离时期的几个$10^{-18}$ ~G）。
2017-11-27 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
Constraining the Initial Mass function in the Epoch of Reionization from Astrophysical and Cosmological data
利用JWST光度函数等多类数据构建半经验再电离模型，通过贝叶斯推断约束恒星初始质量函数，发现其斜率在-2.8至-2.3之间且小质量端受抑，并缓解了JWST大质量星系与标准宇宙学的矛盾。
2024-03-13 astro-ph.CO astro-ph.GA
Reionization and Cosmic Dawn: theory and simulations
我们强调最近的进展，在复杂性和多样化的宇宙黎明和再电离模拟。这些建模工具的应用，目前的观测，使我们缩小了时间的再电离，我们现在知道，在dz ~ 1的大部分再电离。最强的约束来自光学深度的CMB测量与{ \it普朗克}卫星和第一次检测到正在进行的再电离从光谱的z=7.1类星体ULASJ 1120 +0641。然而，我们仍然对第一个十亿年的天体物理来源几乎一无所知。我们理解的革命将由即将到来的宇宙21厘米信号的干涉测量观测引领。UV和X射线光子的源和汇的属性被编码在信号的3D图案中。贝叶斯参数恢复技术的发展，利用21厘米信号的财富，将很快迎来一个精确的天体物理宇宙学时代。
2018-01-08 astro-ph.CO astro-ph.GA
Dark Matter annihilations in halos and high-redshift sources of reionization of the universe
暗物质（DM）均匀流体中的湮灭会在宇宙微波背景（CMB）各向异性功率谱中留下印记。然而，在晕中DM湮灭与宇宙学观测量的相关性仍然存在争议，以前的工作在这一点上得出了不同的结论。此外，所有以前的研究都使用了一种类型的参数化的天体物理再电离，并包括没有天体物理源加热的星系际介质。在这项工作中，我们重新审视这些问题。当采用标准方法时，我们发现电离分数确实表现出非常特殊的（和潜在的限制）模式，但目前可测量的再电离光学深度几乎保持不变：与大多数以前的文献一致，对于合理的晕模型，我们发现，相对于来自平滑背景中的湮灭的信号的修改是微小的，低于当前允许的参数空间内的宇宙方差。然而，如果对再电离和加热的天体物理来源采取不同的、可能更现实的处理方法，那么晕中DM湮灭的效应可能会更显著。因此，我们的结论是，在目前采用的基线模型的维里化DM结构的影响不能被发现的CMB功率谱测量，但更大的影响是可能的，如果调用特殊的模型的红移演化的DM湮灭信号或不同的假设是天体物理的贡献。更好地理解（理论和观测）的再电离和宇宙的温度历史，特别是通过21厘米的信号，似乎是最有前途的方式使用晕的形成作为一种工具，在DM搜索，提高目前的宇宙学探测的灵敏度。
2015-12-03 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Impact of 21-cm foreground mitigation strategies on reionization power spectrum constraints
Stockholm University（斯德哥尔摩大学）；Observatoire de Paris, Université PSL, Sorbonne Université（巴黎天文台，巴黎文理研究大学，索邦大学）
评估21厘米信号再电离时期的前景避免与高斯过程回归去除策略，两者引入约1σ参数偏差，避免法后验更宽，多红移推断受污染箱影响。
2026-07-20 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Impact of Sommerfeld enhancement on helium reionization via WIMP dark matter
暗物质湮灭会对宇宙中的许多天体物理过程产生强烈的影响。在索默菲尔德增强的湮没截面的情况下，湮没率在后期增强，从而增强了潜在的湮没特征。在这里，我们计算的夏季增强湮灭签名的时代，氦再电离，时代，氦成为完全电离，由于高能光子。当考虑从CMB注入的能量的上限，我们发现，由此产生的丰富的He $^{++}$成为独立的暗物质粒子质量。因此，与标准场景相比，所得到的增强高出1-2个数量级。对于符合CMB约束的实际情况，氦再电离的历元没有明显的变化，它是在红移$3$和$4$之间完成的。虽然很难将暗物质湮灭与天体物理学贡献（活动星系核）分开，但使用大型强子对撞机（LHC）对暗物质粒子及其相互作用的潜在探测将使人们能够量化暗物质的贡献。
2018-02-15 astro-ph.CO
Neural network emulation of reionization to constrain new physics with early- and late-time probes
本文提出 NNERO 神经网络模拟器，用于快速准确模拟自由电子比例演化与再电离光深，支持结合 CMB 和 21 cm 等探针约束冷/非冷暗物质模型参数。
2025-03-14 astro-ph.CO
21CMMC: an MCMC analysis tool enabling astrophysical parameter studies of the cosmic 21 cm signal
我们介绍21 CMMC：一个并行化的蒙特卡罗马尔可夫链分析工具，结合了再电离（EoR）的时间的数值模拟21 CMFAST。21 CMMC估计天体物理参数约束从21厘米EoR实验，容纳各种EoR模型，以及先验模型参数和再电离历史。为了说明它的效用，我们考虑两种不同的EoR方案，一个是一个单一的人口的星系（与质量无关的电离效率）和第二个，更一般的模型与两个不同的，反馈调节的人口（每个与质量相关的电离效率）。作为一个例子，结合三个观察（z=8，9和10）的21厘米功率谱与保守的噪声估计和均匀的模型先验，我们发现，干涉仪的规格，如低频阵列/氢时代的再电离阵列（HERA）/平方公里阵列1（SKA 1）可以约束共同的再电离参数：电离效率（或类似的逃逸分数），电离光子的平均自由程和恒星形成晕的最低维里温度的对数在45.3/22.0/16.7以内，33.5/18.4/17.8和6.3/3.3/2.4%，~ $1σ$分数不确定度。相反，如果我们乐观地假设，我们可以完美地描述EoR建模的不确定性，我们可以改善这些约束的一个因素~几。同样，对于HERA和SKA 1，平均中性分数的分数不确定性可被限制在$\lesssim10$ %以内。通过研究由此产生的对天体物理约束的影响，21 CMMC可用于优化（i）干涉仪设计;（ii）前景清理算法;（iii）观测策略;（iv）表征21 cm信号的替代统计数据;以及（…
2015-03-30 astro-ph.CO
Into the Gompverse: A robust Gompertzian reionization model for CMB analyses
Pengcheng Laboratory（鹏城实验室）；Universidad de Costa Rica（哥斯达黎加大学）；Institute of Space Sciences (ICE, CSIC)（空间科学研究所（ICE，CSIC））；Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)（加泰罗尼亚太空研究学院（IEEC））；Sun Yat-Sen University（中山大学）
本文提出一种基于物理的哥莫特茨再电离模型，用于联合分析宇宙微波背景和再电离观测数据，通过减少光深度的不确定性，改进了中微子质量总和的约束，并与21厘米实验相结合。
2026-04-15 astro-ph.CO
21-cm Signal from the Epoch of Reionization: A Machine Learning upgrade to Foreground Removal with Gaussian Process Regression
本文提出用变分自编码器在GRIZZLY模拟上训练的核升级高斯过程回归，以更准确地去除LOFAR前景并提取再电离时期21厘米信号，在多数情况下可在2σ不确定度内恢复信号形状与功率，并分析了红移依赖性。
2023-11-29 astro-ph.CO astro-ph.IM
What Next-Generation 21 cm Power Spectrum Measurements Can Teach Us About the Epoch of Reionization
目前正在进行一些实验，以测量再电离时期的21厘米信号。无论这些实验是否能探测到宇宙辐射，它们有限的灵敏度都将阻止它们提供有关再电离天体物理学的详细信息。在这项工作中，我们考虑什么类型的测量将使下一代更大的21厘米EoR望远镜。为了计算这种阵列可能的约束类型，我们使用简单的模型的仪器，前景发射，和再电离的历史。我们主要集中在一个仪器建模后的$\sim 0.1~\rm{km}^2$收集区氢时代的再电离阵列（HERA）的概念设计，并参数化的不确定性，前景排放考虑不同的限制，最近描述的“楔形”足迹在k空间。再电离的历史中的unevenness占使用一系列的模拟，不同的电离效率和负责再电离的星系的最低维里温度，以及电离光子通过IGM的平均自由程。鉴于各种组合的模型，我们认为可能的功率谱检测的意义，跟踪功率谱的演变与红移的能力，显着的功率谱特征的可检测性，以及对天体物理参数的定量约束的可实现水平。最终，我们发现，收集区域的$0.1~\rm{km}^2$足以确保即使在最悲观的情况下，再电离功率谱的非常高的显著性（$\gtrsim30σ$）检测。这种灵敏度应允许有意义的约束的再电离的历史和天体物理参数，特别是如果前景减法技术可以改进和成功实施。
2014-09-16 astro-ph.CO
Cosmological forecast of the 21-cm power spectrum using the halo model of reionization
21厘米再电离功率谱是宇宙学和基础物理学的一个很有前途的探测器。然而，利用这种新的可观测性，需要快速的预测器能够有效地扫描非常大的宇宙学和天体物理学的不确定性的参数空间。在本文中，我们介绍了晕模型的再电离（HMreio），一个新的分析工具，结合了晕模型的宇宙黎明与重叠设置的气泡模型的再电离，假设一个经验的校正因子来处理重叠的电离气泡。首先，HMreio验证结果从著名的半数值代码21厘米FAST，显示了良好的整体协议的波模式的$k\lesssim 1$ h/Mpc。基于这一结果，我们进行了蒙特卡洛马尔可夫链（MCMC）预测分析，假设模拟数据从1000小时的观测与低频部分的平方公里阵列（SKA）天文台。我们同时改变了六个标准的宇宙学参数与七个天体物理滋扰参数量化的丰度和光谱特性的来源。根据假设的理论误差，我们发现非常有竞争力的宇宙学参数的限制。特别是，它将有可能最终测试目前的宇宙学张力与哈勃参数（$H_0$ -张力）和物质集群的振幅（$S_8$ -张力）。此外，中微子质量的总和可以受到很强的约束，使得在$\sim 90$百分比置信水平下确定中微子质量等级成为可能。然而，只有将当前的建模不确定性大幅降低至低于$\sim 3$ %，才能实现这些目标。
2023-02-13 astro-ph.CO
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
A fast method of reionization parameter space exploration using GPR trained SCRIPT
本文提出一种基于高斯过程回归训练SCRIPT再电离模型的快速参数空间探索方法，以粗分辨率模拟构建训练集，在保持合理置信轮廓的同时将计算时间降低约两个数量级，并通过模拟数据预测研究验证其适用性。
2023-09-28 astro-ph.CO astro-ph.IM
Rapid and Late Cosmic Reionization Driven by Massive Galaxies: a Joint Analysis of Constraints from 21-cm, Lyman Line & CMB Data Sets
Arizona State University（亚利桑那州立大学）；University of Cambridge（剑桥大学）；Kavli Institute for Cosmology in Cambridge, University of Cambridge（剑桥大学卡弗里宇宙学研究所）；Institute of Astronomy, University of Cambridge（剑桥大学天文学研究所）；National Institute of Technology Calicut（喀拉拉邦国立技术学院）；Tel-Aviv University（特拉维夫大学）；School of Natural Sciences, Institute for Advanced Study（高等研究院自然科学学院）
研究通过联合分析21厘米、Lyman线及CMB数据，发现大质量星系驱动再电离，红移区间和中点红移被约束，且模型依赖性需注意。
2025-04-13 astro-ph.CO astro-ph.IM
Principal component analysis of the reionization history from Planck 2015 data
宇宙瞬时再电离的简单假设可能会使宇宙学参数的估计产生偏差。在本文中，再电离历史的模型无关的主成分方法被应用到最近的普朗克2015年数据的宇宙学参数的约束。我们发现宇宙在红移$z \ge 8.5$为95% CL时没有完全重电离。再电离光学深度和物质涨落幅度均高于标准瞬时再电离方案，但与标准瞬时再电离方案一致。物质涨落幅度的高估计值加强了普朗克CMB观测与一些天体物理数据之间的紧张关系，如星系团计数和弱透镜。如果允许中微子质量变化，这种张力就可以得到明显的缓解。由于高的标量谱指数，低尺度自发破缺的SUSY暴胀模型可以很好地拟合数据，这在普朗克分析中在95%CL下是不受欢迎的。
2015-09-04 astro-ph.CO hep-ph
A Comprehensive Bayesian re-analysis of the SARAS2 data from the Epoch of Reionization
我们提出了一个贝叶斯重新分析的天空平均21厘米的实验数据SARAS 2使用嵌套采样实现polychord，光谱平滑前景建模实现maxsmooth，详细的系统建模和快速信号仿真与globalemu。我们的分析不同于以往的SARAS 2数据分析，通过使用一个完整的贝叶斯框架和单独的建模的前景和非光滑的系统。我们使用最新的信号模型，包括莱曼- $α$和CMB加热参数的天体物理参数，如恒星形成效率，X射线加热效率，最小维里圆速度的恒星形成星系，CMB光学厚度和X射线光谱能量分布的低能截止。我们认为模型与多余的无线电背景以上的CMB产生通过无线电发射从早期星系和参数化的无线电生产效率。一个非平滑的系统被识别和建模为一个频率阻尼正弦波引入的电子和独立的天空。后者由天线的总效率调制，并且由数据略微有利。我们考虑三种不同的模型的数据中的噪声。SARAS 2对单个天体物理参数的约束非常弱，但我们确定了不利信号的类别。我们弱不赞成标准的天体物理模型与高莱曼- $α$通量和弱加热，更有信心地不赞成异国情调的模型与高莱曼- $α$通量，低X射线效率和高射电产生效率的早期星系。
2022-05-20 astro-ph.CO
Impact of astrophysical scatter on the Epoch of Reionization [H I]$_{\rm 21cm}$ bispectrum
本研究使用半数值模拟探讨天体物理散射对再电离时期HI 21-cm双谱的影响，发现散射在小尺度上引入显著的非高斯性，SKA1-Low有望在特定红移和中性分数下探测到这些散射特征。
2024-08-05 astro-ph.CO astro-ph.GA
Reionization and Beyond: detecting the peaks of the cosmological 21cm signal
宇宙学21厘米信号将成为早期宇宙最强大的探测器，第一代干涉仪旨在对再电离进行统计检测。当星系际介质被早期的X射线背景加热时，人们对再电离前时期的兴趣也越来越大。在这里，我们进行参数研究不同的晕质量托管星系，和他们的X射线生产效率。我们也将这些与热暗物质宇宙学的流行模型联系起来。对于每个参数组合，我们计算大尺度的信噪比（S/N）（k~0.1/Mpc）21 cm功率，用于再电离和X射线加热，使用几种仪器进行2000小时观测：128瓦Murchison宽场阵列（MWA 128 T），256瓦扩展（MWA 256 T），低频阵列（LOFAR），128元探测再电离时代精密阵列（PAPER）和第二代平方公里阵列（SKA）。我们表明，X射线加热和再电离在许多情况下是可比的可探测性。对于基准天体物理参数，MWA 128 T可能会探测到X射线加热，这要归功于其扩展的带通。当涉及到再电离时，MWA 128 T和PAPER也只能实现边缘检测，除非可以减轻更大规模的前景。另一方面，LOFAR应该检测到S/N > 10的再电离的合理模型。SKA将很容易地探测到X射线加热和再电离。
2014-04-05 astro-ph.CO
Reionization History and Neutrino Mass
East China University of Science and Technology（华东理工大学）
基于BAO和CMB观测，研究再电离历史对中微子质量异常的影响，发现总光学深度主导结果，细节影响较小。
2026-05-11 astro-ph.CO hep-ph
Simulation-Based Inference of Reionization Parameters From 3D Tomographic 21 cm Lightcone Images
再电离时期的21厘米断层扫描三维图像包含有关天体物理来源的星系际介质再电离的丰富信息。传统的功率谱分析不能充分利用21厘米的数据，因为21厘米的信号是高度非高斯由于再电离斑。我们执行贝叶斯推断的再电离参数的可能性是隐含地定义通过正向模拟使用密度估计似然自由推断（DELFI）。我们采用一个训练好的3D卷积神经网络（CNN）将3D图像数据压缩成信息摘要（DELFI-3D CNN）。我们表明，这种方法恢复准确的后验分布的再电离参数。我们的方法优于早期的二维21厘米图像的基础上分析。相比之下，基于3D光锥的21 cm功率谱的MCMC分析单独使用标准的显式似然近似，结果在轮廓的位置和形状方面都比DELFI-3D CNN推断的更不准确的可信参数区域。我们的概念验证研究表明，与2D CNN或功率谱分析相比，DELFI-3D CNN可以有效地利用3D 21 cm图像中的更多信息。这种技术可以很容易地扩展到包括现实的影响，因此是未来21厘米观测数据的科学解释的一个有前途的方法。
2021-12-22 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Reliable Parameter Inference for the Epoch of Reionization using Balanced Neural Ratio Estimation
本文应用平衡神经比率估计（BNRE）改进再电离纪元参数推断，通过Lyα森林自相关函数双参数模型证明其后验分布校准显著优于高斯似然假设，为天体物理建模提供统计稳健的参数约束。
2025-11-11 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
Deconstructing the kinetic SZ Power Spectrum
我们提出了一个详细的调查天体物理过程的形状和振幅的动力学Sunyaev-Zel'dovich（kSZ）功率谱从后再电离时代的影响。这是通过构建一个新的模型的kSZ功率谱，我们校准水动力模拟的结果。通过构造，我们的方法考虑了所有相关的密度和速度模式，因此不受我们模拟的有限盒子大小的影响。我们发现，辐射冷却和恒星形成可以使kSZ功率谱的振幅降低33%，即在ε 1 = 3000时降低1 μ K^2。这是由于气体转化为恒星，导致集团和星团中的平均气体密度下降。氦再电离发生时的红移的变化可以通过类似的分数影响振幅，而当前对宇宙学参数（即σ_8）的限制转化为kSZ功率谱的进一步+-15%的不确定性。我们演示了如何在这项工作中提出的模型可以被约束-减少天体物理的不确定性kSZ信号-通过测量红移依赖的信号通过kSZ断层扫描。最后，我们讨论了如何这项工作的结果可以帮助约束再电离的持续时间，通过测量的动力学SZ信号来源于不均匀（或补丁）的再电离。
2012-08-16 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
SARAS 2 constraints on global 21-cm signals from the Epoch of Reionization
在再电离结束之前，星系际介质中的中性氢在40- 200 MHz波段的宇宙微波背景中留下了光谱畸变的印记。这一信号产生于静止帧波长为21厘米的红移范围$z = 6-34$，尚未被探测到;对高红移天体物理学的理解不足导致预期光谱存在很大的不确定性。SARAS~2辐射计是专门设计用来探测天空平均21厘米信号的。该仪器于2017年4月至6月部署在Timbaktu Collective（印度南部），收集了63小时的科学数据，并检查了宇宙学21厘米信号的存在。在我们以前的工作中，我们利用$264$的似然比检验方法对SARAS~2辐射计的初光数据进行了分析。在本文中，我们重新检查的数据，使用改进的分析的基础上的频率论方法和正演模拟。我们发现SARAS~2数据拒绝了27个模型，其中25个在显著性$>5σ$上被拒绝。所有被拒绝的模型都有一个共同的假设，即第一批X射线源对原始气体的加热效率低下，并伴随着快速的再电离。
2017-11-30 astro-ph.CO astro-ph.IM
Analysing the 21cm signal from the Epoch of Reionization with artificial neural networks
再电离时代的21厘米信号应在未来十年内观测到。虽然SKA寻路器预计会进行简单的统计检测，但SKA有望产生信号的完整3D映射。为了从观测数据中提取对描述基本天体物理过程的参数的限制，必须开发反演方法。例如，马尔可夫链蒙特卡罗方法已成功应用。在这里，我们测试另一种可能的反演方法：人工神经网络（ANN）。我们生成了一个由70个个体样本组成的训练集。每个样本都是由21 cm Fast代码产生的不同红移的21 cm功率谱加上描述天体物理过程的半数值模拟中使用的三个参数的值组成。使用这个集合，我们训练网络，以最小化它作为输出产生的参数值与真实值之间的误差。我们探讨了网络架构对培训质量的影响。然后，我们在新的54个测试样本集上测试训练好的网络，这些样本具有不同的参数值。我们发现，参数重建的质量取决于在一个给定的红移，包括热噪声和样本方差的不同参数的功率谱的灵敏度降低了重建的质量，并使用在几个红移的功率谱作为输入到人工神经网络提高了重建的质量。我们的结论是，人工神经网络是一个可行的反演方法，其主要优势是，他们需要一个稀疏的参数空间的探索，因此应该是可用的完整的数值模拟。
2017-03-22 astro-ph.CO
Particle production during inflation: constraints expected from redshifted 21 cm observations from the epoch of reionization
本文利用SKA-Low模拟的再电离时期21厘米功率谱，在贝叶斯框架下评估其约束暴胀期粒子产生导致的原初凸包状谱特征的能力。
2023-06-06 astro-ph.CO hep-th
Five parameters are all you need (in $Λ$CDM)
Peng Cheng Laboratory（鹏城实验室）；University of Cambridge（剑桥大学）
研究利用符号回归建立宇宙学与再电离时间线的联系，发现其形状可用冈珀茨死亡率定律描述，将再电离光学深度视为派生参数，减少原始涨落幅度误差并约束电离效率。
2026-07-07 astro-ph.CO
CosmoReionMC: A package for estimating cosmological and astrophysical parameters using CMB, Lyman-α absorption and global 21 cm data
我们提出了一个马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）为基础的参数估计包，CosmoReionMC，共同约束宇宙学参数的$Λ$ CDM模型和天体物理参数有关的氢再电离。该软件包是基于以前开发的物理驱动的再电离半解析模型，一个类似的半解析模型计算全球21厘米信号在宇宙黎明期间，并使用适当的修改版本的公开可用的CAMB计算CMB各向异性。然后将这些计算耦合到MCMC系综采样器\texttt{emcee}以计算模型参数的后验分布。该模型共有12个自由参数：5个宇宙学参数和7个与恒星星族有关的参数。我们约束的参数匹配的理论预测与CMB数据从普朗克，观测相关的类星体的吸收光谱，并首次全球21厘米的信号从EDGES。我们发现，将类星体光谱数据的分析收紧电子散射光学深度$τ$的界限，因此归一化$A_s$的原始物质功率谱（或等效$σ_8$）。此外，当我们在分析中包括EDGES数据时，我们发现具有有效无线电发射的无金属恒星的早期人口是匹配吸收幅度所必需的。CosmoReionMC包应该有有趣的未来应用，例如，探测对$Λ$ CDM模型的非标准扩展。
2021-08-07 astro-ph.CO
Dark Twilight Joined with the Light of Dawn to Unveil the Reionization History
改进测量的宇宙微波背景极化普朗克允许一个详细的研究超出平均光学深度的再电离。较低的光学深度值不利于早期开始和早期完成的reionization有利于redsfhit范围内，不同的天体物理探测器提供合理的信息，再电离源和星系际介质的状态。在这项工作中，我们扩展了我们以前的研究，其中我们通过结合三种不同的探针- CMB，UV光度密度和中性氢分数数据-在治疗和数据中约束再电离：我们首先允许UV源项的变化，改变UV发光度转换成电离光子的效率与逃逸分数的乘积以及再电离和宇宙学参数，然后，我们调查的影响，一个不太保守的削减紫外光度函数。我们发现，估计的效率是一致的95%C. L。与我们在以前的结果中考虑的固定值，并且主要受QHII数据的约束。我们发现，允许效率的变化不会显着影响我们的平均光学深度的单调再电离历史的结果，恢复$τ=0.0519_{-0.0008}^{+0.0010}$在68% CL，与我们以前的研究一致。使用一个不太保守的削减紫外光度函数，我们发现$τ=0.0541_{-0.0016}^{+0.0013}$在68% CL，由于我们使用的数据中的光度函数的暗端，这也更倾向于从较高的红移较大的贡献。
2022-01-12 astro-ph.CO
A GPR-Based Emulator for Semi-numerical Reionization Code SCRIPT: Parameter Inference from 21 cm Data
本研究针对半数值再电离代码SCRIPT参数推断计算量大的问题，提出基于GPR的似然模拟器，结合低分辨率模拟定位高概率区构建训练集，将计算时间降低约一个数量级，且后验结果与传统方法吻合良好。
2024-02-02 astro-ph.CO astro-ph.IM
Exploring the effect of different cosmologies on the Epoch of Reionization 21-cm signal with POLAR
本文用 GADGET-4 与 POLAR 模拟不同 $H_0$、$σ_8$ 宇宙学下的再电离过程，结合 JWST 紫外光度函数和 LOFAR 红移范围的 21-cm 功率谱，指出现有上限难以排除模型，多观测量联合可增强约束。
2025-08-21 astro-ph.CO astro-ph.GA
Reproducibility of machine learning analyses of 21 cm reionization maps
通过复现和测试应用于21cmFast和Simfast21模拟的卷积神经网络，发现其常学习模拟盒子特征而非底层物理，难以泛化到未见模拟，强调了在21厘米宇宙学中正确应用ML模型的责任。
2024-12-20 astro-ph.CO
The 21 cm signal and the interplay between dark matter annihilations and astrophysical processes
未来的专用无线电干涉仪，包括HERA和SKA，是非常有前途的工具，旨在通过测量中性氢的21 cm信号来研究再电离时代及以后。暗物质（DM）湮灭成带电粒子改变了宇宙的热历史，因此影响了21厘米信号。准确地预测DM的效果强烈依赖于晕内的湮灭模型。在这项工作中，我们使用最新的计算的能量沉积率的产品从DM湮灭，一个适当的治疗的贡献从DM湮灭晕，以及值的湮灭截面允许的最新宇宙学测量从普朗克卫星。鉴于目前的不确定性的天体物理过程的描述驱动时代的再电离，X射线加热和莱曼- $α$泵，我们发现，解开DM签名纯粹的天体物理效应，有关早期的恒星形成过程或晚期的星系X射线发射，将是一项具有挑战性的任务。我们的结论是，只有质量为$\sim100$ MeV的DM粒子的湮灭，可以留下一个明确的印记，在21厘米的信号，特别是在21厘米的功率谱。这与文献中先前更乐观的结果相反，文献中声称即使对于高得多的DM质量也可能存在强签名。为了打破DM湮灭和天体物理效应之间的强参数简并性，并且毫无疑问地挑出质量不同于$\sim100$ MeV的DM印记，在不同宇宙时期对21 cm信号的额外测量将是至关重要的。
2016-03-22 astro-ph.CO hep-ph
No way ou$τ$: Epoch of Reionization Observations Do not Support Large Values of the Optical Depth to Reionization
Pengcheng Laboratory（鹏城实验室）；Tsinghua University（清华大学）
该研究结合CMB、BAO及再电离相关观测数据，采用Gompertzian再电离框架分析，得出再电离光深为0.067±0.011，在大于约2σ水平上偏好动力学暗能量，大尺度极化的系统误差难以解释该偏好。
2026-08-04 astro-ph.CO
Non-parametric Reconstruction of Photon Escape Fraction from Reionization
针对恒星形成星系光子逃逸分数红移演化缺乏共识的问题，首次利用Gaussian Process Regression方法从数据驱动模型中非参数重建其随红移的变化，发现其演化温和，并指出该方法将借助JWST观测对逃逸分数施加最严格约束。
2023-05-20 astro-ph.CO astro-ph.GA
Reionizing islands with inhomogeneous recombinations
本文改进半数值模拟 islandFAST，引入非均匀复合与非均匀电离背景以模拟 EoR 晚期中性岛，并与 21cmFAST 比较，揭示模型处理差异导致的形态与历史偏差。
2023-04-11 astro-ph.CO
Unbiased constraints on reionization model parameters in presence of the foreground wedge
将再电离时期中性氢（HI）的红移21 cm信号与更大的天体物理前景分开的一种可能方法是将分析限制在傅立叶空间中的楔形区域。前景被限制在这个楔形，因为它们的平滑的光谱特性，这使得人们可以估计HI功率谱的前景自由的部分，称为再电离窗口。然而，由于信号中的视线各向异性，窗口中的球平均功率谱的估计与真实值不同。对于给定的再电离模型，可以通过根据勒让德多项式扩展功率谱来估计和考虑该差异。这个校正后的功率谱，称为聚类楔形，然后可以用于比较模型预测与观测。在这项工作中，我们仔细检查，胺是否聚类楔形是适当的，这样的模型比较，他们是否提供真正的无偏约束的EoR参数。我们使用的半数值模拟，再加上MCMC为基础的统计方法，为我们的分析。我们发现，聚类楔形不仅产生忠实的约束，统计参数值的不确定性也是可比的使用数据，而不存在任何前景。我们还发现，聚类楔有助于打破不同的EoR模型参数之间的退化。
2018-06-22 astro-ph.CO
High-Redshift Signatures from the Cosmic Dawn and the Epoch of Reionization
Tel Aviv University（特拉维夫大学）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；New York University（纽约大学）；Jadavpur University（贾达普大学）；Stockholm University（斯德哥尔摩大学）；University of Groningen（格罗宁根大学）；University of Sussex（萨塞克斯大学）；Guangxi University（广西大学）；Tsinghua University（清华大学）；University of Cambridge（剑桥大学）；The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；University of Zurich（苏黎世大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）；Northeastern University（东北大学）；Tata Institute of Fundamental Research（塔塔基础研究所）；Oberlin College（欧柏林学院）；University of Toronto（多伦多大学）
本文综述了宇宙黎明和再电离时期塑造21厘米信号的天体物理和宇宙学过程，探讨了标准与奇异信号，并评估了SKA-Low的探测能力。
2026-06-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
Simulation-based Inference of Reionization Parameters from 3D Tomographic 21 cm Light-cone Images -- II: Application of Solid Harmonic Wavelet Scattering Transform
本文提出用无需训练的固体谐和小波散射变换压缩三维21 cm光锥图像，并结合DELFI推断再电离参数，在SKA现实观测效应下取得优于3D CNN和功率谱方法的可信区间。
2024-09-11 astro-ph.CO astro-ph.IM
The impact of non-Gaussianity on the Epoch of Reionization parameter forecast using 21-cm power spectrum measurements
再电离时期（EoR）21厘米信号的测量保持了约束再电离模型的潜力。本文考虑了一个具有三个天体物理参数的再电离模型：（1）能容纳电离源的最小晕质量$M_{\rm min}$，（2）晕内每个重子逃逸到IGM的电离光子数$N_{\rm ion}$，（3）IGM内电离光子的平均自由程$R_{\rm mfp}$。我们预测的准确性，这些参数可以从未来的观测21厘米功率谱（PS）使用即将到来的SKA-Low。不像几个早期的作品，我们占的非高斯性的固有EoR 21厘米信号。仅考虑宇宙方差，并假设前景被完全删除，我们发现，非高斯性增加了$1 σ$误差椭球的体积的参数的$133$的一个因素，相对于高斯预测，方向也是不同的。当排除前景楔形内的所有$\mathbf{k}$模式时，对于$1024$和$10000$小时的观测时间，误差椭球体的体积比分别为$1.65$和$2.67$。在排除前景楔形的情况下，对于$1024$小时，1D边缘化误差为$(ΔM_{\rm min}/M_{\rm min},ΔN_{\rm ion}/N_{\rm ion},ΔR_{\rm mfp}/R_{\rm mfp})=(6.54, 2.71, 7.75) \times 10^{-2}$，其分别为大于相应高斯预测的$2 \%$、$5 \%$和$23 \%$。非高斯性的影响随着观测时间的延长而增加，这对$R_{\rm mfp}$尤其重要…
2020-08-14 astro-ph.CO
Parameters Estimation from the 21 cm signal using Variational Inference
Romanian Institute of Science and Technology（罗马尼亚科学技术研究所）
即将进行的实验，如氢时代再电离阵列（HERA）和平方公里阵列（SKA），旨在测量广泛红移范围内的21厘米信号，这是推进我们对宇宙再电离性质的理解的一个令人难以置信的机会。与此同时，这类实验将在处理所产生的大量数据方面提出新的挑战，需要开发能够精确估计物理参数及其不确定性的自动化方法。在本文中，我们采用变分推理，特别是贝叶斯神经网络，作为替代MCMC在21厘米的观测报告可靠的估计宇宙学和天体物理参数，并评估它们之间的相关性。
2020-05-04 astro-ph.CO cs.LG eess.SP
Retrieving the 21-cm signal from the Epoch of Reionization with learnt Gaussian process kernels
本研究利用变分自编码器和插值自编码器学习协方差先验，改进高斯过程回归方法，以更有效地从前景和系统效应中提取再电离纪元的21厘米信号，并在有限训练数据下展现出鲁棒性和优越性能。
2023-07-25 astro-ph.CO astro-ph.IM
Charting the Parameter Space of the Global 21-cm Signal
早期的恒星形成宇宙仍然缺乏约束，高红移恒星的性质，第一个加热源和再电离高度不确定。这使得观测者在计划21厘米的实验时几乎没有理论指导。在这项工作中，我们探讨了可能的范围内的高红移参数，包括恒星形成效率和恒星形成晕的最小质量;效率，光谱能量分布，和红移的第一个X射线源的演化;和再电离的历史。这些参数只受到现有观测的微弱约束，主要是宇宙微波背景的光学厚度。我们使用现实的半数值模拟产生的全球21厘米信号的红移范围$z = 6-40$的193个不同的组合的天体物理参数跨越允许的范围。我们表明，预期的信号填充一个大的参数空间，但具有固定的一般形状的全球21厘米曲线。即使我们有广泛的模型选择，我们仍然发现全球21厘米信号的关键特征和高红移宇宙的基本天体物理性质之间存在明显的相关性，即Ly $α$强度，X射线加热率和电离光子的产生率。这些相关性可以用来直接联系未来的全球21厘米信号的测量天体物理量在大多数模型独立的方式。我们确定额外的相关性，可以用作一致性检查。
2017-08-21 astro-ph.CO
A New Era in Extragalactic Background Light Measurements: The Cosmic History of Accretion, Nucleosynthesis and Reionization
（简要概述）自复合时代以来，宇宙的总辐射含量是多少？河外背景光（EBL）光谱捕获了宇宙历史上第一个恒星物体、原星系和星系释放的红移能量。然而，我们还没有确定河外天空从紫外/光学到远红外波长的亮度，其准确度足以确定宇宙的辐射含量超过一个数量级。在许多科学主题中，对从光学到远红外波长的EBL光谱的精确测量将解决：在宇宙历史上恒星核合成释放的总能量是多少？非恒星过程释放了大量能量吗？从光学到亚毫米的任何地方，EBL都有漫射成分吗？第一颗恒星是什么时候出现的？再电离时期的亮度如何？绝对光学到中红外EBL光谱的天体物理学上有趣的精度可以建立宽场成像在5AU的距离或以上的黄道平面，其中黄道前景减少了两个以上的数量级。
2009-02-13 astro-ph.CO astro-ph.IM
A Full Treatment of Peculiar Velocities on the Reionization Light Cone
要精确模拟再电离时期的21厘米信号，需要根据天体物理学和宇宙学参数的值，以特定频率生成地图。产生21厘米辐射的氢原子的特殊速度导致观察到的21厘米辐射频率的偏移，并改变信号本身的振幅。这不是我们可以消除的影响，而是需要准确建模，以确保我们从观察中推断出正确的物理参数。我们描述的21厘米信号的失真的完整计算，并提出了一个新的代码，集成了21厘米的强度沿视线为每个单独的光锥像素，以充分捕捉多个红移的强度贡献。这种算法自然处理标准方法中发现的典型发散，允许大的光学深度和21厘米的吸收事件在高红移。我们发现，新方法在天空中最大尺度上的功率降低了60%，在天空中最小尺度上增加了80%以上。我们发现，光锥的新实现导致亮温分布中亮温的尾部较长，这是由于成功地规避了先前必须实现以避免亮温发散的上限。我们的结论是，这种光锥像素的演变的全面治疗可以是一个重要的影响。
2020-07-21 astro-ph.CO
On using large scale correlation of the Ly-$α$ forest and redshifted 21-cm signal to probe HI distribution during the post reionization era
我们研究了探测Ly-$α$森林和HI 21 cm信号的三维互相关功率谱的可能性。互相关信号是直接依赖于暗物质的功率谱，是敏感的21厘米的亮度温度和Ly-$α$森林的偏见。这些偏置参数决定了红移空间中各向异性的强度。我们发现，可以检测到互相关功率谱使用$400 ~ \, \rm hrs$观测SKA-mid（第1阶段）和未来的BOSS样实验与类星体（QSO）密度$30 ~ \rm deg^{-2}$在峰值信噪比$15$的单场实验在红移$z = 2.5$。我们还研究了使用互功率谱约束各种偏置参数的可能性。我们发现，对于SKA-mid（相位1）的$10$独立点，在相同的实验条件下，对应于Ly-$α$森林的21 cm线性红移空间畸变参数$β_T$和$β_{F}$的$1 σ$条件误差分别为$\sim 2.7\%$和$\sim 1.4 \%$.这一预测表明，在现有的测量显着改善。我们声称，检测的3D互相关功率谱不仅可以确定宇宙学起源的信号中存在的天体物理前景，但也将提供严格的限制大规模HI偏见。这为理解宇宙结构的形成提供了一个独立的探索。
2015-07-11 astro-ph.CO
Inferring the astrophysics of reionization and cosmic dawn from galaxy luminosity functions and the 21-cm signal
第一个星系的属性，预计将驱动宇宙黎明（CD）和再电离时代（EoR），被编码在宇宙21厘米信号的3D结构中。从即将到来的21厘米观测参数推断有望彻底改变我们对这些看不见的星系的理解。然而，先前的推断是使用具有几个简化假设的模型进行的。在这里，我们介绍了一个灵活的，物理动机的参数化高$z$星系的属性，实现它在公共代码21厘米FAST。特别是，我们允许他们的恒星形成率和电离逃逸分数的规模与他们的主机暗物质晕的质量，并直接计算不均匀的，在星系际介质中的子网格重组。结合当前哈勃观测的静止帧紫外光度函数（UV LFs）在高$z$与模拟1000小时21厘米观测使用氢时代的再电离阵列（HERA），我们约束我们的模型的参数使用蒙特卡罗马尔可夫链采样器的三维模拟，21 CMMC。我们发现，恒星质量的振幅和缩放与晕质量的LF观测的强烈约束，而其余的星系属性主要是由21厘米的观测约束。这两个数据集相互补充得很好，减轻了每个观察结果固有的退化。我们的所有八个天体物理参数都能够被限制在$\sim 10\%$或更好的水平。本工作中使用的21cmFAST和21CMMC的更新版本是公开的。
2019-01-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
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
Constraining large scale HI bias using redshifted 21-cm signal from the post-reionization epoch
在没有复杂的天体物理过程的特点，再电离时代，21厘米的排放中性氢（HI）在后再电离时代被认为是一个很好的示踪剂的基础暗物质分布。假设一个背景宇宙学，它是通过（i）一个偏置函数b（k，z），它涉及HI的暗物质分布和（ii）的平均中性分数（x_{HI}），它设置其振幅。在本文中，我们研究了大规模HI偏置的性质。后再电离HI建模重力只有N体模拟和一个合适的处方分配气体的暗物质晕。使用模拟偏差作为基准模型HI分布在z \leq 4，我们已经产生了一个假设的数据集为21厘米角功率谱（C_{l}）使用的噪声模型的基础上的参数的扩展版本的GMRT。假设以在基准红移z=2.5处的范围400 \leq到\leq 8000中的SNR \gtrsim 4测量面元化的C_{l}。我们探讨了使用主成分分析（PCA）对该模拟数据进行约束b（k）的可能性。我们的分析表明，在0.2 < k < 2 Mpc^{-1}的范围内，模拟数据集无法区分表现出不同k依赖性的模型，只要1 \lesssim b（k）\lesssim 2设置2-sigma限值。这证明在大尺度上使用线性偏差模型是合理的。很大程度上不确定的x_{HI}被视为一个自由参数，导致退化的偏置重建。发现给定的模拟数据以\sim 4%（2-sigma误差）的精度约束基准x_{HI}。这里概述的方法，可以成功地实施对未来的观测数据集，以约束b（k，z）和x_{H…
2012-01-19 astro-ph.CO
