宇宙再电离后期中性氢区演化的研究

The first structure formation and the reionization of hydrogen are major events in the history of cosmic evolution, and they have significant impact on the following galaxy formation and structure evolution. In this project, we will construct a semi-analytical model to describe the shrinking processes of the neutral islands of hydrogen during the late stages of reionization, when the ionized regions have percolated. In order to derive the size distribution of neutral islands and its evolution, we will self-consistently model the galaxy formation in the early universe, the production and escape of ionizing photons, and the recombination processes in different regions with different densities. Then we plan to compare our model with numerical simulations of reionization, investigate the rationality of our model, and improve it. At the same time, we will also find the key mechanisms that influence the properties and evolution of the neutral islands. Based on the model, we will develop a set of semi-numerical simulations, which could efficiently produce the more realistic island distribution and its evolution. In addition, we will compute the signal properties and amplitudes in 21cm tomography observations. With the radio foreground and the real parameters of upcoming interferometers, we are going to assess the observability of the predicted signals. Analyzing the different signal properties with different model parameters, we will find out how we could constrain the model parameters through 21cm observations. In this way, we can constrain the cosmic reionization process and the early structure formation.

第一代结构形成与氢的再电离是宇宙演化的重要阶段，对其后的星系形成与结构演化有着深远的影响。本项目旨在通过构建半解析模型，研究再电离后期电离氢区相互并合、联通之后，中性氢"岛屿"被逐渐电离而缩小的过程。通过在模型中系统地考虑宇宙早期的星系形成，电离光子的产生与逃逸，以及不同密度区域的复合等物理过程，给出中性氢岛屿的大小分布及其随红移的演化。接着与再电离的数值模拟相比较，考察模型的合理性并作相应改进，同时分析得到影响中性氢岛屿的性质与演化特征的关键物理机制。我们将根据模型发展一套准数值模拟，从而快速得到更真实的中性氢岛屿的分布与演化。进而针对中性氢的21cm层析观测，结合低频射电波段的前景噪声及射电天线阵的实际参数，计算这一演化阶段的可观测信号特征和强度。通过分析不同参数取值下的信号特征，我们将挖掘从21cm观测中可以得到的对各个模型参数的限制，从而限制宇宙再电离和早期结构形成的过程。

氢的再电离是宇宙结构形成的重要阶段,氢原子在宇宙中的分布示踪了物质分布的大尺度结构。本项目主要研究宇宙再电离后期的中性氢分布，其演化规律及相关物理过程，中性氢的21cm观测，及其对宇宙学参数，尤其是宇宙暗能量和原初非高斯性的限制。. 首先，我们构建了针对再电离后期中性氢区演化规律的半解析模型——中性氢“岛屿”模型。基于该模型，考虑电离氢区相互渗透之后宇宙背景电离光子的影响，我们发展了一套再电离的准数值模拟程序——islandFAST。该准数值程序模拟了再电离后期电离氢区相互并合、联通之后,中性氢“岛屿”被逐渐电离而缩小的过程,能够同时给出中性氢岛屿的大小分布及其随红移的演化，以及宇宙电离光子背景的强度与演化规律。IslandFAST作为一个高效模拟工具，可用于研究再电离后期的诸多物理问题，包括中性氢分布的拓扑结构，21cm信号与可观测性研究等。. 利用再电离的数值模拟与准数值模拟，我们研究了再电离时期氢原子分布的拓扑结构，发现21cm亮温度分布的亏格曲线可以作为分辨不同再电离模型与再电离阶段的有力工具。针对再电离后期的物理过程，我们进一步研究了再电离的反馈过程对高红移星系光度函数的影响，发现高红移星系光度函数的暗端幅度，以及高红移星系计数，强烈依赖于电离辐射反馈的效应强弱。因此，该观测可对再电离时期的反馈过程给出较强的限制。. 与观测相结合，我们研究了中性氢的21cm强度映射方法对宇宙大尺度结构的观测。结合平方公里阵（SKA）与天籁实验，我们估算了未来的21cm强度映射观测对宇宙学参数的限制程度，包括暗能量的状态方程，宇宙原初非高斯性，以及具有特征震荡信号的暴涨模型。我们发现，21cm强度映射观测能显著提高现有实验对暗能量状态方程的限制；利用21cm功率谱和重谱的测量，我们能对宇宙原初非高斯性给出较强限制；尤其是具有震荡特征的暴涨模型所预言的非高斯信号，SKA与天籁21cm强度映射观测能够达到比宇宙微波背景辐射观测高一个数量级的测量精度。