对超致密暗物质晕中第一代恒星形成的研究

The formation of the first stars is a very important problem in the cosmic research. It is general accepted that the formation time of the first stars is z~20-30 and the mass of the dark matter halo is about one hundred million solor mass. One of the crucial factors is the gravitational potential wells provided by the dark matter halos. Recently, one new kind of dark matter structures named ultracompact minihalos (UCMHs) was proposed. Tha main characters of UCMHs are the early formation time (z~1000) and the high central density. Therefore they can provide much bigger gravitional potential wells to make the baryons accmulate at the very early time. So there may be the formation of the first stars at the very early epoch of cosmic and then they can effect or change the exisiting formation picture of the first stars. In this project, we will first study the formation of the first stars within the UCMHs and it mainly refers to the formation time, mass and abundance of the first starts and the mass of UCMHs. Another goal of this project is to study the effect of the first stars on the cosmic evolution after the formation. It mainly refers to the effect on the evolution of the ionization and these affect will be reflected on the anisotropy of cosmic microwave background radiation and the 21cm radio signals. Therefore, we will research these first stars through the analysis of the present or future observational data.

第一代恒星的形成是宇宙学研究中的重要问题。普遍的理论认为，它们的形成红移约为z~20-30，对应的暗物质晕约为一百万个太阳质量。其中一个主要的决定因素是暗物质晕所提供的引力势阱。最近，一种新的暗物质结构，超致密暗物质晕(或超致密晕)被提出。它的主要特点是：形成时间早（z~1000），中心密度大。因此，它们可以在较早的时间就能够提供比较大的引力势阱，使得重子物质较早的聚集。因此，有可能在宇宙的极早期就有第一代恒星的形成，从而在很大程度上影响或改变现有的第一代恒星形成图景。本项目拟首次研究第一代恒星在超致密晕中的形成，主要涉及恒星形成的时间、质量和对应的超致密晕的质量以及形成恒星的丰度等问题；其次是研究第一代恒星形成之后对宇宙演化的影响，主要涉及对宇宙电离度演化和21cm射电信号的影响。同时，本项目拟通过对现有和未来的观测数据的分析来研究超致密晕中形成的第一代恒星的性质。

超致密暗物质晕（UCMHs）作为一种暗物质结构会对宇宙的演化及相关的观测产生一定的影响。例如，由于超致密晕的结构特点，重子物质在其中的分布及演化会对宇宙中第一代恒星的形成产生一定的影响。此外，超致密晕的形成和宇宙早期的密度扰动密切相连。因此，对超致密晕的研究为暗物质粒子和早期宇宙相关问题的研究提供有意义的借鉴和补充。我们研究了暗物质粒子在超致密晕中的湮灭对21cm射电信号的影响。由于超致密晕的结构特点，暗物质粒子在其中的湮灭对21cm射电信号的影响非常明显。我们研究了暗物质粒子在超致密晕中湮灭产生的陶子中微子流强。通过和大气中微子背景相互比较，我们得到了对超致密晕质量分数的限制，进而得到了对宇宙小尺度上密度扰动功率谱的限制。相比之前的结果，我们把对质量分数和密度扰动功率谱的限制尺度扩展了约一个数量级，其主要原因是陶子中微子的大气背景比缪子中微子或电子中微子的大气背景低约2个数量级。我们研究了暗物质粒子湮灭对21cm射电信号的贡献。最近，EDGES实验报道了对21cm射电信号的观测结果。他们发现在红移z=17处21cm射电信号的吸收强度比理论预言的大约2倍。我们研究了暗物质粒子湮灭对这一观测结果的影响。同时，我们也考虑了早期额外射电源的贡献。虽然暗物质粒子的湮灭会加热宇宙介质从而造成21cm射电吸收信号的强度减弱，但如果宇宙早期存在额外的射电源，那么21cm射电吸收信号的强度会被拉回。因此，如果选择合适的暗物质粒子参数和少量的射电背景超出，那么21cm射电信号的吸收强度就会符合EDGES的观测结果。我们研究了重子物质在超致密晕中的分布和演化并得出了初步的结果。这些研究对暗物质粒子和21cm射电信号的相关研究提供了有意义的补充。