[논문 리뷰] Late Reheating of the IGM by Quasars: A Radiation Hydrodynamical Simulation of Helium II Reionization

P. Paschos, Michael L. Norman외 2명|ArXiv.org|2007. 11. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 활성은하핵에 의한 헬륨 II 재이온화를 모의하기 위해 복사유체역학 시뮬레이션을 사용하며, 광열화에서 투과도 효과를 포함시켜 은하간 매질의 온도와 리어-알파 숲 특성을 정확히 예측한다. 이는 투과도가 평균 은하간 매질 온도를 광학적으로 얇은 근사치 대비 약 1.7배 높이는 것으로 나타났으며, 헬륨 II 흡수체는 물리적 확장과 일치하는 넓은 선을 보인다.

ABSTRACT

We study the ionization and thermal evolution of the intergalactic medium during the epoch of \heii reionization by means of radiation hydrodynamical cosmological simulations. We post-process baryonic density fields from a standard optically-thin IGM simulation with a homogeneous galaxy-dominated UV background (UVB) which reionizes \hi and \hei at z=6.5 but does not have any contribution to the ionization of \heii. Quasars with luminosities proportional to the mass of the host halos are then introduced as point sources throughout the 100 Mpc simulation volume consistent with the Pei luminosity function. We evolve the spatial distribution of the \heii ionizing radiation field using a time-implicit variable tensor Eddington factor radiative transfer scheme. Simultaneously, we also solve for the local ionization of \heii to \heii and the associated photoheating of the gas. We find that the percolation of the \heiii regions is essentially complete by z=2.5. When comparing to a self-consistent optically thin simulation we find that in optically thick calculation the gas temperature is higher by a factor of approximately 1.7 at the mean gas density level. We use 300 random lines of sight to compute at $\bar{z} = 2.5 \pm 0.1$ a mean \heii \lya line transmission of $\bar{F} = 0.304 \pm 0.002$. We compare the broadening width of the \hi and \heii \lya lines to the results from the self-consistent optically thin simulation and find a shift by approximately 1.25 km/s of the b-parameter distribution. Estimating the relative broadening width between the two forests shows that the \heii median b-parameter is about 0.8 times the median \hi broadening width. This implies that the \heii absorbers are physically extended consistent with conclusions from observed lines of sight.

연구 동기 및 목표

• 실제 복사전달을 고려하여 헬륨 II 재이온화 기간 동안 은하간 매질의 열적 및 이온화 진화를 조사하기 위해.
• 표준 시뮬레이션에서 자주 忽시되는 투과도 효과가 헬륨 II 재이온화 기간 동안 광열화 비율에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 관측과 비교하여 헬륨 II 리어-알파 숲 특성(선 투과도 및 b-파arameter 넓이 확장)을 분석하기 위해.
• 후기 헬륨 재이온화 기간 동안 은하간 매질 온도와 이온화 상태를 모의할 때 광학적으로 얇은 근사가 얼마나 타당한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 100 Mpc 상자에서 복사유체역학적 천체역학 시뮬레이션을 수행하였으며, 은하간 매질의 가솔린 밀도장을 활성은하핵에 의해 유도된 이온화 복사장으로 후처리하였다.
• 활성은하핵은 CDM 밀도 피크에 점원으로 모델링되었으며, 헬륨 홀로 질량에 비례하고 파owe-법 스펙트럼 $J(\nu) \propto \nu^{-1.8}$를 가짐.
• 시간 암시적 변수 텐서 에딩턴 인자 복사전달 방법을 사용하여 4, 8, 16 Ryd에서 헬륨 II 이온화 복사의 공간 분포를 계산함.
• 지역적 헬륨 II 이온화와 관련된 광열화를 동시에 해결하였으며, 전체 헬륨 II 단면적 근사 $\sigma_{\text{HeII}} \propto (h\nu/h\nu_3)^{-3}$ 를 통해 투과도 효과를 포함함.
• 300개의 랜덤 선적선에서 합성 흡수선 스펙트럼을 생성하여 $\bar{z} = 2.5 \pm 0.1$ 에서 헬륨 II 리어-알파 숲의 통계적 특성을 계산함.
• 광학적으로 두꺼운 및 얇은 시뮬레이션 간에 H I 및 헬륨 II 선의 b-파arameter(도플러 넓이)를 비교하여 열적 영향을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헬륨 II 광열화에 투과도를 포함할 경우, 기존의 광학적으로 얇은 근사와 비교하여 재이온화 기간 동안 은하간 매질 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 활성은하핵에 의한 헬륨 II 재이온화가 헬륨 II 리어-알파 숲의 통계적 특성(예: 평균 투과도 및 선 넓이 확장)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 투과도 효과가 헬륨 II 재이온화 기간 동안 기체 온도와 밀도 간의 관계에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ4 모의된 H I 및 헬륨 II 리어-알파 선의 b-파라미터 값은 관측치와 어떻게 비교되며, 이는 흡수체의 구조에 대해 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• z = 2.5 에서 헬륨 III 영역의 연결은 거의 완료되어 있어, 이 시점에서 헬륨 II 재이온화가 주로 끝났음을 시사한다.
• 투과도 효과를 포함시킬 경우 평균 밀도에서 은하간 매질 온도가 광학적으로 얇은 시뮬레이션 대비 약 1.7배 높아진다.
• 평균 $\bar{z} = 2.5 \pm 0.1$ 에서 헬륨 II 리어-알파 선 투과도는 $\bar{F} = 0.304 \pm 0.002$ 로 나타나며, 선적선 간 변동성이 약 11%이다.
• H I 및 헬륨 II 선의 b-파라미터는 투과도 효과로 인해 약 1.25 km/s 증가하여 더 높은 열적 넓이 확장을 나타낸다.
• 헬륨 II 흡수체의 중앙 b-파라미터는 H I 흡수체의 약 0.8배이며, 이는 헬륨 II 흡수체가 H I 흡수체보다 물리적으로 더 넓게 퍼져 있음을 의미한다.
• 이 연구는 광학적으로 얇은 근사가 헬륨 II 재이온화 기간 동안 은하간 매질 온도를 약 2배 정도 과소평가함을 확인하였으며, 이는 이전 이론적 연구와 일치한다.