paper review: 關於「第一顆恆星」的發現

大概讀了下最近nature上的關於發現"light of first stars"的文章，也聽了系裡討論這個的journal club。概括來講，就是Arizona State University 的天文學家們的無線電望遠鏡EDGES(Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature )發現了宇宙背景輻射譜中由早期氣體的21cm吸收線產生的吸收谷，並由此估計再電離時期（Epoch of Reionization）的一系列參數。

這其中的物理過程大致如下：早期宇宙中氣體和輻射場（微波背景輻射CMB）之間有較強的康普頓散射效應，因此兩者處於近似熱平衡的狀態。到紅移z =150左右時兩者的熱交換效率變低，氣體進入絕熱膨脹過程，輻射場和氣體的溫度脫耦，之後氣體溫度降低速率大於CMB溫度降低的速率，直到恆星開始形成，核聚變開始供能，氣體溫度才開始上升乃至開始電離，這個時期稱為再電離時期（Epoch of Reionization）。再電離過程中恆星產生的紫外線會電離氫原子，氫核和電子再結合時電子自旋能級便有可能發生轉換。 經由這個過程中氫的電子自旋能級轉換（21-cm line）在本身和CMB溫度耦合的同時也和氣體溫度耦合，所以在自旋溫度隨氣體溫度降低的同時也會吸收CMB的能量，並在對應紅移後的頻譜上留下一個吸收谷。這個吸收過程會從第一批恆星形成開始，在氣體被恆星加熱至高過CMB的溫度後結束。因此，這個吸收谷的位置就定位了第一顆恆星形成的時間並和再電離過程緊密相關。這次觀測到的就正是這個吸收谷， 位置在紅移z = 20~15處，也就是大約從大爆炸後1.8到2.7億年間。

如上圖，其實這個信號相對於其他輻射背景（比如來自銀河系內的輻射）來說非常微小，但他們分析後得到了一個信噪比很高的信號（52左右），個人感覺是非常厲害的一個工作，method部分應該是相當值得follow一下的。文章里也排除了很多其他的可能信號來源，不過journal club時以及和系裡其他教授聊時都有提到可能有些文章中未詳細討論的過程也會產生類似的信號，具體可能要等具體的analysis paper出來了才好討論，理論界估計要熱一陣。如果信號為真，這個吸收峰位置（也就是對應的時間點）應該說是相當確定了，但從中得到的其他信息，譬如氣體溫度，冷卻過程參數，暗物質性質等是非常model-dependent的，這點文章中也有提到。如果能把這個結果和其他survey結合起來應該能有非常豐富的成果。

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