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在本论文中，我从理论上研究了宇宙再电离时期各种结构的21cm森林信号。利用高红移射电源作为背景，21cm森林能够探测视线方向上的宇宙早期结构的中性氢吸收信号。由于信号直接敏感于氢原子的自旋温度，21cm森林观测互补于21cm层析观测，将为我们提供星系际介质的温度与电离状态的丰富信息。
利用一套包含辐射转移的再电离数值模拟，我研究了再电离时期宇宙大尺度结构的21cm森林信号。首先，我证实了光学深度和等值宽度都真实地反映了星系际介质的电离度与热演化状态。根据相对光深选出的21cm信号完美地示踪了电离场的变化特征，而根据绝对光深挑选的信号则对星系际介质的温度十分敏感。所以原则上我们可以从21cm森林信号中提取星系际介质温度的信息。接着，我预言了21cm森林的等值宽度的统计特征。根据信号的等值宽度分布以及不同等值宽度信号的数目的演化，我们可以清楚地看出星系际介质的电离状态的宇宙学演化。可观测信号的数密度随着气体温度的升高而快速降低。这里提出的等值宽度的统计特征对温度的敏感性，使之成为探测宇宙再电离的一个独特而有效的探针。在这部分工作的最后，我讨论了这种观测对背景射电源的要求，发现我们将有望利用下一代的射电干涉阵探测到等值宽度大于1 kHz的信号。
对于再电离早期的小尺度非线性结构，我通过构建半解析模型研究了它们的21cm吸收线，包括没有恒星形成的小暗晕吸收线和经历恒星形成的矮星系吸收线。模型细致地描述了两类非线性结构的性质，着重讨论了自旋温度的耦合机制，在此基础上，我给出了它们的21cm吸收线轮廓。小暗晕和矮星系周围气体的下落速度决定性地影响了谱线轮廓，并且在系统维里半径以外较低的自旋温度的共同作用下，导致了谱线的双峰结构。对于穿过矮星系电离氢区的视线，对应矮星系的光深降低。特别地，对于一个具有较大恒星质量或大质量恒星所占比例较高的矮星系，它产生的大体积电离氢区将形成一段光深凹槽而非一条吸收线。我分别计算了高红移类星体和伽马暴射电余辉的21cm森林光谱，发现即使利用SKA，绝大部分伽马暴的射电余辉都因太暗而无法作为背景源进行高分辨率(1 kHz)的观测，但吸收线将能很容易地在一个高红移类星体光谱上探测到。如果利用宽波段观测，且在没有X射线背景或X射线背景非常弱的情况下，伽马暴的余辉也能够用于探测小暗晕和矮星系产生的随红移演化的21cm信号。但如果存在一个早期X射线背景，那么这种观测也将十分困难。因此，21cm吸收信号可以有效地用于探测X射线背景的存在性及其强度，以及早期宇宙的热演化历史。
利用已构建的模型，我分别计算了仅由矮星系产生的21cm森林光谱和仅由小暗晕产生的光谱。通过统计地比较二者的等值宽度(Wν)分布以及光谱流量关联函数，我得出了一个简单的挑选高红移(z≥8)矮星系候选者的选择标准。在一条视线方向上，大约占总数18％的矮星系可以通过判断条件Wν<0而被挑选出来，这些矮星系在高红移具有相对较大的质量，且处于较大的电离氢区中。另一方面，利用条件Wν>0.37kHz可以挑选出大约11％的小暗晕。在挑选出矮星系候选者的同时，我们也将获得它们在空间中的确切位置。这样，我就找到了一种在21cm森林光谱中搜寻宇宙第一代星系的方法，帮助下一步利用JWST对它们进行高效率的红外光谱观测，从而直接地研究这些为再电离提供主要电离光子的电离源。