宇宙再电离与电离泡

星系的光怎样电离星系间的氢？ 年轻星系里逃出的紫外光，把周围的氢电离。光子供应越多，电离区长得越大；复合则不断消耗光子。相邻电离区逐渐相遇，中性氢越来越少，21厘米信号也随之减弱。

拖动光源，看相邻电离区相遇，再对照光子收支与中性氢留下的理想无线电信号。

电离体积 $45.8\%$

红移 $8.64$

平均理想无线电亮温 $14.3\,\mathrm{mK}$

每颗氢核累计复合次数 $0.121$

跟随星光

光源开启后

103\,\mathrm{Myr}

逃出星系的光子比例

20\%

复合增强因子

3

拖动金色光源。逃出的光越多，电离的气体越多；复合越快，需要补充的光子越多。

已保存的模拟

切片、分辨率与下载

显示的格点切片深度

10\,\mathrm{Mpc}

预设使用较细的网格。移动光源或改变物理参数会启动可中止的粗网格探索；计算期间，画面保留上一份完整结果。

$N=32,\qquad L=20\,\mathrm{Mpc}$

距离使用共动坐标。金点表示光源，气体颜色表示电离体积。无线电图另外假设中性氢的自旋温度远高于微波背景。

下载包含当前完整结果的全部格点、光源位置、物理时刻、光子计数和有限傅里叶模式。

模型假设

这是均匀密度、周期边界的合成氢模型，盒子宽二十共动百万秒差距。格点存储的是电离相占据的体积份额，不是每处氢都部分电离。采用平直物质加宇宙常数背景：约化哈勃常数0.674、物质份额0.315、重子密度与约化哈勃常数平方的乘积0.02237、氢质量份额0.76；省略辐射和氦电子。光源在红移十时开启。给定共同团块因子，并把电离气体温度固定在一万开尔文，以此计算B类复合。两轮瞬时分配安排净新增电离体积，不传播光，也不演化密度、加热或流体。五组保存预设每边三十二格，用512个分配区间、2048个全局计数区间，保存65个原生时刻。切换预设比较同一原生时刻；每组记录另外保留最接近电离体积百分之四十五的原科学代表帧。拖动光源或改变物理控制，会启动每边十六格、64个分配区间的可中止探索，并明确区别于已验证的保存记录。固定预设在电离体积五分之一至五分之四的选定时刻，通过原定百分之五的时间及次序标准，以及每边三十二格到六十四格、有限模式功率百分之十的标准。这不保证任意光源都收敛，也不保证形状唯一。另算的理想21厘米亮温采用高中性氢自旋温度、瑞利金斯与光学薄极限、同一宇宙时刻及纯哈勃速度梯度。中性氢自旋温度假设独立于电离气体温度。四组低阶傅里叶模式只描述这个有限盒子，未加入密度、特殊速度、仪器响应或HERA似然。

科学来源与固定记录的复算方法

Madau, Haardt & Rees (1999), §3.1 — 全局电离体积收支。
Hui & Gnedin (1997), Appendix A — B类复合系数拟合。
Choudhury & Paranjape (2018), §4 — 电离区相遇时的光子计数与重新分配。
Furlanetto, Oh & Briggs (2006), §2.1 — 21厘米辐射转移与理想高自旋温度极限。

原创合成数据与独立Python方法包含五组固定记录、325份完整精度格点、来源、许可及明确标注的数值证据。可只用Python标准库检查格点，也可安装声明的数值依赖后复算完整固定模型。

下载固定光源数据与复算方法（3.90 MB ZIP）

核心问题: 什么决定电离了多少气体，什么决定电离区的形状？
一句话直觉: 在这个均匀双相模型里，光子供应与共同复合预算决定总电离体积；光源位置决定把这些体积分到哪里。移动光源，地图会变，全局计数却可以不变。

核心数学模型

先算电离与复合的收支

\frac{dQ}{dt}=\frac{f_{\rm esc}\sum_s\dot N_s}{N_{\rm H}}-\frac{Q}{t_{\rm rec}},\qquad t_{\rm rec}^{-1}=C\alpha_{\rm B}\bar n_{{\rm H},0}a^{-3}

电离体积份额随逃逸的光而增长。逃逸光子速率除以共动盒子里固定的氢核数，得到每颗氢核的供应速率。复合发生在完全电离的相里，宇宙膨胀会降低它的物理密度。体积全部电离后，额外供应记作剩余光子。

把四笔计数放在一起

E=Q+R+U,\qquad \langle q\rangle_V=Q

每一笔都按氢核归一化：逃逸供应分为保留电离、累计复合与剩余。相同时刻，等体积格点的平均份额必须与保留电离相符。画面把净新增电离体积瞬时分配出去，并非有限光速的辐射前沿。

再读剩下的中性气体

\delta T_b(\mathbf x)=T_0(z)[1-q(\mathbf x)],\qquad P_T(k)=T_0(z)^2P_{1-q}(k)

这幅理想无线电图另外采用高中性氢自旋温度、光学薄、同一宇宙时刻及纯哈勃速度梯度假设，由同一份完整格点计算。功率图只平均规定的四组有限盒子模式。

常见难点

一半体积，说的是两种相

容易误解每个原子都处在电离了一半的状态。

正确理解一个格点里，一部分体积完全电离，另一部分中性。这与每处气体都微观部分电离不同，两者的复合计数也不同。

形状不同，平均值可以相同

容易误解两颗光源靠近，一定会电离更多气体。

正确理解这里规定的均匀预算不随光源位置改变。相遇的电离区重新分配已有预算；若要计入局部密度和局部复合，就需要加入别的物理。

无线电图有另外一层假设

容易误解电离气体温度已经决定了中性氢的自旋温度。

正确理解两者描述的气体和物理不同。这里额外假定中性氢自旋温度很高，未计算加热、自旋耦合或仪器。

动手实验

01
先看相邻电离区相遇
让“电离泡相遇”播放，再停在中途。
你会看到： 金色光源固定，电离体积逐渐长大。中性氢切片和光子计数对应同一份完整格点、同一时刻。
02
在同一宇宙时刻比较
把“较少的光逃出星系”和“气体复合更快”与“电离泡相遇”比较。想仔细看切换后的起点，可以立即暂停。
你会看到： 每组预设从同一比较时刻开始。供应减少或复合加快，都让电离气体更少。各自保存的科学代表帧另有记录。
03
改变光源的排列
拖动金色光源，或比较“分散的星光”与“电离泡相遇”。
你会看到： 形状和有限模式功率会变，共同全局预算却保持不变。拖动采用明确标出的粗网格探索。
04
带走一份完整结果
展开“切片、分辨率与下载”，移动切片后下载。
你会看到： 结果保留整个三维Float64格点、设置、物理时刻、计数和模式系数。改变观看切片，不会改变这些数据。

宇宙再电离与电离泡

跟着一颗光子走出星系

核心数学模型

先算电离与复合的收支

把四笔计数放在一起

再读剩下的中性气体

常见难点

一半体积，说的是两种相

形状不同，平均值可以相同

无线电图有另外一层假设

动手实验

先看相邻电离区相遇

在同一宇宙时刻比较

改变光源的排列

带走一份完整结果

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文章

从光子、电离体积到无线电信号