[논문 리뷰] Introducing the THESAN project: radiation-magnetohydrodynamic simulations of the epoch of reionization

Rahul Kannan, Enrico Garaldi외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 6인용 수 13

한 줄 요약

THESAN 프로젝트는 재결합 시기 동안 은하 형성과 간행성간 매질(IGM) 이온화를 자동으로 일관되게 모델링하는 대용량(95.5 cMpc) 방사선-자기유체역학 시뮬레이션 세트를 제시한다. arepo-rt 방사선 유체역학 해소법과 비평형 열화학 및 먼지가 포함된 IllustrisTNG 은하 형성 모델을 사용하여 관측된 재이온화 역사를 및 고적색도 은하 성질을 재현하며, 서로 다른 이온화원 집단으로부터 유도된 별도의 버블 크기 분포가 특히 큰 공간 스케일에서 21 cm 파wer 스펙트럼에 고유한 서명을 남긴다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

We introduce the THESAN project, a suite of large volume (L = 95.5 cMpc) radiation-magnetohydrodynamic simulations that simultaneously model the large-scale statistical properties of the IGM during reionization and the resolved characteristics of the galaxies responsible for it. The flagship simulation has dark matter (DM) and baryonic mass resolutions of $3.1 imes 10^6$ $M_\odot$ and $5.8 imes 10^5 $ $M_\odot$, respectively. The gravitational forces are softened on scales of 2.2 ckpc with the smallest cell sizes reaching 10 pc at z=5.5, enabling predictions down to the atomic cooling limit. The simulations use an efficient radiation hydrodynamics solver (AREPO-RT) that precisely captures the interaction between ionizing photons and gas, coupled to well-tested galaxy formation (IllustrisTNG) and dust models to accurately predict the properties of galaxies. Through a complementary set of medium resolution simulations we investigate the changes to reionization introduced by different assumptions for ionizing escape fractions, varying DM models, and numerical convergence. The simulations produce realistic reionization histories that match the observed evolution of the global neutral hydrogen fraction and electron scattering optical depth to reionization. They also match a wealth of high-redshift observationally inferred data, including the stellar-to-halo-mass relation, stellar mass function, star formation rate density, and the mass-metallicity relation, despite the galaxy formation model being mainly calibrated at z=0. We demonstrate that different reionization models give rise to varied bubble size distributions that imprint unique signatures on the 21cm emission, especially on the slope of the power spectrum at large spatial scales, enabling current and upcoming 21cm experiments to accurately characterise the sources that dominate the ionizing photon budget. [abridged]

연구 동기 및 목표

• 고해상도와 물리적 정확도를 확보하여 재이온화 시기(EoR) 동안 은하와 이온화된 간행성간 매질(IGM)의 상호작용된 진화를 모델링하기 위해.
• 전반적인 재이온화 관측값, 즉 중성수소 분율과 전자 산산화율 옵티컬 터널을 일치시키는 자동 일관성 있는 시뮬레이션 세트를 제작하기 위해.
• 이온화 탈출율, 다크 물질 모델, 수치 해상도에 대한 다양한 가정이 재이온화 역사와 IGM 형태에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• JWST, HERA, SKA 및 기타 고적색도 천체망원경의 향후 관측을 위한 예측과 해석을 가능하게 하기 위해.
• 낮은 질량의 허브와 높은 질량의 허브에 의해 주도되는 재이온화 모델을 분별할 수 있도록, 큰 스케일에서의 21 cm 파워 스펙트럼 기울기가 유의미한 지표가 될 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시뮬레이션은 IGM 내 이온화 광자 전파와 기체 가열을 정확히 모델링하기 위해 arepo-rt 방사선 유체역학 해소법을 사용한다.
• 은하 형성 모델은 IllustrisTNG 기반이지만 비평형 열화학과 경험적 먼지 모델을 추가하여 고적색도 물리적 상황을 향상시켰다.
• 기준 시뮬레이션은 박스 크기가 95.5 cMpc이며, 다크 물질와 복사 물질 질량 해상도는 각각 3.1×10⁶ M☉ 및 5.8×10⁵ M☉이다.
• 중력 연화 길이가 2.2 ckpc로 설정되었으며, z=5.5에서 공간 해상도가 10 pc에 도달하여 원자 냉각 한계까지 해상도를 확보하였다.
• 중간 해상도 시뮬레이션 세트는 이온화 탈출율, 다크 물질 모델, 수치 수렴성의 변화를 탐색하기 위해 사용되었다.
• 시뮬레이션은 전반적인 중성수소 분율, 전자 산산화율 옵티컬 터널, 은하 질량-허브 질량 관계, 은하 복사 질량 함수 등의 관측 제약 조건에 맞추어 校정되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온화 탈출율에 대한 다양한 가정이 재이온화 역사와 IGM 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 다크 물질 모델이 H II 영역의 진화와 재이온화 시기의 영향을 어떻게 미치는가?
• RQ3 특히 이온화원 집단이 다른 은하 형성 모델이 큰 공간 스케일에서 21 cm 파워 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 작은 k에서의 21 cm 파워 스펙트럼 기울기가 낮은 질량의 허브와 높은 질량의 허브에 의해 주도되는 재이온화 모델을 어느 정도 분별할 수 있는가?
• RQ5 THESAN 시뮬레이션은 z=0에서만 校정되었음에도 불구하고 관측된 고적색도 은하 성질, 예를 들어 복사 질량 함수와 질량-금속성 관계를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 기준 THESAN 시뮬레이션은 재이온화까지의 전반적인 중성수소 분율과 전자 산산화율 옵티컬 터널의 관측된 진화를 성공적으로 재현하였다.
• 은하 형성 모델이 z=0에서만 校정되었음에도 불구하고, 은하 질량-허브 질량 관계, 은하 복사 질량 함수, 별 형성률 밀도, 질량-금속성 관계 등의 고적색도 관측 제약 조건을 잘 일치시켰다.
• 낮은 질량의 허브 또는 높은 질량의 허브에 의해 주도되는 서로 다른 재이온화 모델은 IGM 내 버블 크기 분포에 서로 다른 특징을 나타낸다.
• 이러한 다른 버블 크기 분포는 특히 큰 공간 스케일에서의 기울기(k ≈ 0.2 h/cMpc)에서 21 cm 파워 스펙트럼에 고유한 인상을 남긴다.
• 작은 k에서의 21 cm 파워 스펙트럼 기울기가 낮은 질량의 허브와 높은 질량의 허브에 의해 주도되는 재이온화 모델을 분별하는 데 있어 강력한 지표로 밝혀졌으며, 향후 주요 이온화원에 대한 제약 조건을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션은 고해상도 방사선-MHD 모델링이 EoR 기간 동안 정확한 IGM 및 은하 성질을 예측하는 데 필수적임을 입증하였으며, JWST, HERA, SKA 등의 데이터 해석에 중요한 함의를 지닌다.