宇宙再电离的非高斯性与21厘米双谱的观测研究.pdf

目录

摘要III

ABSTRACTIV

第1章引言1

1.1标准宇宙学模型1

1.2宇宙早期演化2

1.3宇宙再电离时期5

1.4工作意义8

1.5论文结构11

第2章21厘米信号13

2.121厘米信号辐射机制14

2.2全局21厘米信号23

2.3电离区域的生长26

2.421厘米功率谱28

第3章宇宙再电离的非高斯性研究33

3.1研究背景33

3.2数值模拟34

3.2.1密度场和速度场35

3.2.2电离场37

3.2.3自旋温度场39

3.2.4模拟结果41

3.3方法43

3.3.1双谱43

3.3.2SkewSpectrum45

3.3.3SmoothedSkewness45

3.4结果46

3.4.1演化特征47

3.4.2模型依赖性50

第4章SKA对21厘米双谱的观测能力研究53

4.1研究背景53

4.2信号噪声比53

第5章总结与展望57

5.1总结57

5.2展望58

参考文献60

致谢70

攻读硕士学位期间主要研究成果71

贵州师范大学学位论文原创性声明72

贵州师范大学学位论文使用授权书72

摘要

宇宙大爆炸后，经过暴胀、重子数产生、对称性破缺和原初核合成等过程，

宇宙中几乎只有氢元素。在高温高密状态下，宇宙中的氢是电离态，随着宇宙

的膨胀，温度逐渐降低，氢的质子和电子结合形成中性氢，光子得以在宇宙中

自由地穿梭，随着宇宙膨胀传播至今成为今天观测到的宇宙微波背景辐射

（CMB）。氢原子复合完成后，宇宙处于黑暗时代。当第一代恒星和星系形成

后，它们辐射的紫外光子和X射线进入星系际介质，并逐渐电离周围的中性氢，

这些电离氢区域不断增大，并互相渗透、并和，最终电离了整个宇宙，这个过

程称为宇宙再电离，发生这个过程的时期称为宇宙再电离时代（EoR）。

宇宙再电离时代的21厘米信号具有高度的非高斯性，并且这种非高斯性随

着再电离的进行而演变。因此，21厘米信号在不同的傅里叶模式（k）之间是相

关的，然而功率谱不能描绘出21厘米信号之间的这种相关性。因此本文使用21

厘米双谱，21厘米smoothedskewness以及21厘米skewspectrum三个非高斯统

计量来量化21厘米信号的非高斯性。本文使用半数值模拟21cmFAST来研究宇

宙再电离时期21厘米信号的skewspectrum和smoothedskewness随宇宙红移的

演化以及它们与再电离历史之间的关系，并将它们的结果与21厘米双谱进行比

较。比较发现21厘米smoothedskewness和21厘米skewspectrum与21厘米双

谱有相似的非高斯演化特征，都能够很好地表征主要的再电离历史特征。这三

个21厘米信号的非高斯统计量在Lyαpumping时期的幅值都为负值，在X射线

加热时期变为正值，随着再电离的进行，电离气泡的增长让它们的幅值变为负

值，在再电离末期，中性氢岛屿的存在又让它们的幅值变为正值。而且，本文

通过比较这三个21厘米统计量在不同再电离模型中演化，发现它们都对宇宙再

电离模型比较敏感，而对模拟的宇宙体积大小不太敏感。最后，本文以低频阵

列SKA-low望远镜作为参考，发现21厘米信号skewspectrum和smoothed

skewness的信号噪声比都远高于21厘米双谱，这表明了SKA望远镜对21厘米

信号skewspectrum和smoothedskewness的观测能力远高于21厘米双谱。

关键词：早期宇宙；黑暗时代；再电离；第一批恒星；方法：数值模拟