Reheating during hierarchical clustering in the universe dominated by the cold dark matter

Abstract

Reheating of the universe by early formation of stars and quasars in the hierarchical clustering scheme of cold dark matter scenario is investigated, with perturbation fluctuations normalized by the COBE (Cosmic Background Explorer) data. It is found that ionizing UV (Ultraviolet) flux from OB stars with the abundance given by the standard initial mass function is strong enough to ionize the universe from z approximately equals 30 to the present epoch, if 1 - 2 percent of the collapsed baryons go into stars. This lessens significantly the CMB (Cosmic Microwave Background radiation) anisotropies at a small angular scale. Reionization also increases the Jeans mass to M(sub luminous) approximately equals 10(exp 9) solar mass for z approximately less then 10, which leads to a cut-off of the luminosity function of normal galaxies on a faint side. A strong UV flux is expected at z approximately equals 2 - 5, and the null result of the Gunn-Peterson test is naturally explained. Early star formation also results in production of heavy elements, and the observational metal abundance sets a strong constraint on the photon energy injection into the intergalactic space.

COBEデータによって規準化した摂動の変動がある冷たいダークマター・シナリオの階層クラスタリング中での恒星およびクエーサの初期生成による宇宙の再加熱について研究した。その結果、崩壊したバリオンの1?2％が恒星に取込まれると、標準的な初期質量関数によって与えられる存在量を有するOB星からの電離紫外線束が充分に強くなり、Zがほぼ30から現在の値までに宇宙を電離できることが明らかになった。このことは小角度スケールにおいてCMB非等方性を大幅に低減するものである。また、再電離により、Zが10に等しいか10以上に対してJeans質量はMluminousが太陽の質量の約10の9乗倍まで増加し、これによって、微光側における通常の銀河の光度関数のカットオフが導かれる。強い紫外線束がZが2-5にほぼ等しい場合において期待され、Gunn-Petersonテストのゼロ結果は自然に説明できる。また、初期の星の生成の結果、重い元素が形成され、金属の存在量の観測データから銀河間空間への光子エネルギーの入射に強い制約が加えられる。計算の基礎モデル、熱履歴に対する計算法を示し、計算の結果を紹介して、その意味について議論した。