[论文解读] Introducing the THESAN project: radiation-magnetohydrodynamic simulations of the epoch of reionization

Rahul Kannan, Enrico Garaldi+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 6被引用 13

一句话总结

THESAN项目展示了大规模（95.5 cMpc）的辐射磁流体动力学模拟套件，自洽地模拟了再电离时期（EoR）的星系形成与电离间歇介质（IGM）的电离过程。该模拟采用arepo-rt辐射流体动力学求解器，并结合IllustrisTNG星系形成模型，引入非平衡热化学与尘埃模型，重现了观测到的再电离历史及高红移星系特性，表明不同电离源群体产生的泡状结构尺寸分布会在21 cm功率谱上留下独特的印记，尤其是在大空间尺度上。

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]

研究动机与目标

• 以高分辨率和物理保真度模拟再电离时期（EoR）星系与电离间歇介质（IGM）的耦合演化。
• 构建一个自洽的模拟套件，使其与全局再电离观测量（包括中性氢分数和电子散射光学深度）相匹配。
• 研究电离逃逸分数、暗物质模型和数值分辨率等不同假设对再电离历史和IGM形态的影响。
• 为即将到来的JWST、HERA、SKA及其他高红移望远镜的观测提供预测与解释。
• 证明大尺度上的21 cm功率谱斜率可区分以低质量或高质晕主导的再电离模型。

提出的方法

• 模拟采用arepo-rt辐射流体动力学求解器，精确模拟IGM中电离光子的传播与气体加热过程。
• 星系形成模型基于IllustrisTNG，但通过引入非平衡热化学与经验性尘埃模型，提升了高红移物理的准确性。
• 基准模拟的盒子尺寸为95.5 cMpc，暗物质与重子质量分辨率分别为3.1×10⁶ M☉与5.8×10⁵ M☉。
• 引力软化长度设为2.2 ckpc，红移z=5.5时空间分辨率可达10 pc，实现对原子冷却极限的解析。
• 一组中等分辨率的模拟用于探索电离逃逸分数、暗物质模型及数值收敛性的变化。
• 模拟校准至中性氢全局分数、电子散射光学深度、星系恒星-晕质量关系及星系恒星质量函数等观测约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 对电离逃逸分数的不同假设如何影响再电离历史与IGM形态？
• RQ2 改变暗物质模型对H II区演化与再电离时序有何影响？
• RQ3 不同星系形成模型（尤其是具有不同电离源群体的模型）如何影响大空间尺度上的21 cm功率谱？
• RQ4 在小k波数下，21 cm功率谱斜率在多大程度上可区分以低质量或高质晕主导的再电离模型？
• RQ5 尽管仅在z=0处校准，THESAN模拟能否重现观测到的高红移星系特性（如恒星质量函数与质量-金属度关系）？

主要发现

• 基准THESAN模拟成功重现了全球中性氢分数与电子散射光学深度随再电离演化的观测结果。
• 尽管星系形成模型仅在z=0处校准，模拟仍与高红移观测约束（包括星系恒星-晕质量关系、星系恒星质量函数、恒星形成率密度及质量-金属度关系）相匹配。
• 由低质量或高质晕主导的不同再电离模型，在IGM中产生截然不同的泡状结构尺寸分布。
• 这些不同的泡状结构尺寸分布在21 cm功率谱上留下独特的印记，尤其体现在大空间尺度（k ≈ 0.2 h/cMpc）的斜率上。
• 结果表明，小k波数下的21 cm功率谱斜率是区分以低质量或高质晕主导的再电离模型的稳健指标，可为未来约束主导电离源提供依据。
• 模拟表明，高分辨率辐射-MHD建模对于准确预测EoR期间IGM与星系特性至关重要，对JWST、HERA与SKA等望远镜数据的解读具有重要意义。