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title: "宇宙再电离与电离泡互动实验｜Sandbox Physics"
description: "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。"
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  en: "https://sandboxphysics.com/labs/reionization-photon-budget/"
last_modified: "2026-11-12"
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# 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。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

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](https://arxiv.org/abs/astro-ph/9809058v1) — 全局电离体积收支。
- [Hui & Gnedin (1997), Appendix A](https://arxiv.org/abs/astro-ph/9612232v1) — B类复合系数拟合。
- [Choudhury & Paranjape (2018), §4](https://arxiv.org/abs/1807.00836v2) — 电离区相遇时的光子计数与重新分配。
- [Furlanetto, Oh & Briggs (2006), §2.1](https://arxiv.org/abs/astro-ph/0608032v2) — 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）](https://sandboxphysics.com/zh/stories/reionization/materials/fixed-source-analysis.zip)

## 跟着一颗光子走出星系

**背景** 年轻恒星发出紫外光。其中一部分逃出星系，能把电子从氢原子里分离出来。光源周围于是长出一片电离区，逐渐进入原本中性的气体。

**为什么值得理解** 数出发射了多少光子，还没有算完。电子与质子会重新结合；要维持同样大的电离区，就得再补光子。

- **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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

物理结论

先把全局光子收支和空间地图连起来。再记住：要解释真实观测，还需要加热、速度和仪器等物理。

## 相关实验与文章

星光怎样改变星系间的氢 · 阅读路径

### 从光子、电离体积到无线电信号

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **星系的光怎样改变宇宙中的氢**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/reionization/starlight-and-hydrogen/)
2. [文章 **电离一半究竟是什么意思**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/reionization/ionized-volume-and-local-fraction/)
3. [文章 **一片膨胀的气体需要多少光**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/reionization/photons-in-an-expanding-box/)
4. [文章 **两个电离泡相遇以后，光去了哪里**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/reionization/when-ionized-bubbles-overlap/)
5. [文章 **从中性氢的信号读出电离泡**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/reionization/reading-a-neutral-hydrogen-map/)
6. [文章 **亲手复算一段电离历史**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/reionization/recompute-a-fixed-source-history/)
7. [文章 **怎样读懂HERA给出的21厘米上限**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/reionization/reading-hera-upper-limits/)

波与光学 · 入门路径

## 从一条光线到干涉测量

从折射出发，找到光线模型失效的地方，再用干涉测量极小的距离。

[从这里开始 → **光学界面探索器** 转动入射角，观察反射与透射功率此消彼长；再切换到“临界角与全反射”场景。 观察 · 11 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)

1. [1 光学界面探索器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)
2. [2 彩虹焦散观测站](https://sandboxphysics.com/zh/labs/rainbow-laboratory/)
3. [3 针孔相机](https://sandboxphysics.com/zh/labs/camera-obscura/)
4. [4 相干波合成器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/coherent-wave-composer/)
5. [5 Young 双缝实验台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/young-double-slit-bench/)
6. [6 Michelson 精密测量台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/michelson-precision-lab/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/waves-and-optics/#starter-path)