[论文解读] The THESAN project: connecting ionized bubble sizes to their local environments during the Epoch of Reionization

Meredith Neyer, Aaron Smith+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2023

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用 5

一句话总结

本文利用高分辨率的thesan辐射流体动力学模拟套件研究了再电离时期电离泡的生长过程，采用平均自由程方法追踪有效泡尺寸（R_eff）的演化。研究发现，晚期再电离区域会迅速经历‘闪光电离’，进入预先存在的大泡中，而早期再电离区域则缓慢增长；高密度环境中的泡尺寸更大——尤其在再电离早期阶段——但随着渗滤过程的推进，这种相关性逐渐减弱。

ABSTRACT

An important characteristic of cosmic hydrogen reionization is the growth of ionized gas bubbles surrounding early luminous objects. Ionized bubble sizes are beginning to be probed using Lyman-$α$ emission from high-redshift galaxies, and will also be probed by upcoming 21-cm maps. We present results from a study of bubble sizes using the state-of-the-art THESAN radiation-hydrodynamics simulation suite, which self-consistently models radiation transport and realistic galaxy formation. We employ the mean-free path method, and track the evolution of the effective ionized bubble size at each point ($R_{ m eff}$) throughout the Epoch of Reionization. We show there is a slow growth period for regions ionized early, but a rapid "flash ionization" process for regions ionized later as they immediately enter a large, pre-existing bubble. We also find that bright sources are preferentially in larger bubbles, and find consistency with recent observational constraints at $z \gtrsim 9$, but tension with idealized Lyman-$α$ damping-wing models at $z \approx 7$. We find that high overdensity regions have larger characteristic bubble sizes, but the correlation decreases as reionization progresses, likely due to runaway formation of large percolated bubbles. Finally, we compare the redshift at which a region transitions from neutral to ionized ($z_{ m reion}$) with the time it takes to reach a given bubble size and conclude that $z_{ m reion}$ is a reasonable local probe of small-scale bubble size statistics ($R_ ext{eff} \lesssim 1\, m{cMpc}$). However, for larger bubbles, the correspondence between $z_{ m reion}$ and size statistics weakens due to the time delay between the onset of reionization and the expansion of large bubbles, particularly at high redshifts.

研究动机与目标

• 理解再电离时期（EoR）电离泡尺寸与其局部天体物理环境之间的关联。
• 评估再电离时间与大尺度结构对泡尺寸演化的影响。
• 评估再电离红移（z_reion）作为小尺度泡尺寸统计量的代理指标的适用性。
• 将模拟结果与詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）和21 cm巡天的观测约束进行比较。
• 探讨星系质量与晕物质 overdensity 对泡尺寸分布及演化的影响。

提出的方法

• 利用thesan辐射流体动力学模拟套件，该套件在宇宙学体积内自洽地模拟辐射传输与星系形成过程。
• 应用平均自由程（MFP）方法，计算再电离时期各空间位置的有效电离泡尺寸（R_eff）。
• 追踪R_eff随时间与红移的演化，识别从中性到电离状态的转变过程。
• 分析R_eff与局部过密度、晕质量及再电离时间（z_reion）之间的相关性。
• 将模拟的泡尺寸分布与Lyα衰减翼吸收及21 cm功率谱的观测约束进行比较。
• 对泡尺寸的中位数与方差进行统计分析，包括R_eff与晕质量的幂律标定。

实验结果

研究问题

• RQ1 再电离红移如何影响电离泡的生长速率？
• RQ2 高过密度区域在多大程度上会形成更大的电离泡？这种相关性在再电离时期如何演化？
• RQ3 再电离红移（z_reion）在多大程度上可作为小尺度泡尺寸（R_eff ≤ 1 cMpc）的代理指标？
• RQ4 星系质量与晕环境对电离泡的尺寸与形态有何影响？
• RQ5 模拟结果与z ≈ 7及z ≳ 9时JWST与21 cm望远镜的观测约束相比如何？

主要发现

• 早期再电离区域的泡生长缓慢，而晚期再电离区域则迅速经历‘闪光电离’，进入预先存在的大泡中。
• 明亮星系更倾向于位于较大的电离泡中，且随着再电离进程推进，R_eff ∝ M_halo^d 的标度关系趋于平缓。
• 高过密度区域拥有更大的特征泡尺寸，尤其在中性分数 x_Hi ≳ 0.5 时更为显著，但随时间推移，由于渗滤效应，这种相关性逐渐减弱。
• 再电离红移（z_reion）是小尺度泡尺寸（R_eff ≤ 1 cMpc）的可靠局部示踪量，但其与大泡尺寸的相关性在高红移时因泡扩张的时间延迟而减弱。
• 模拟结果与z ≳ 9时最新的JWST约束一致，但在z ≈ 7时与理想化的Lyα衰减翼模型存在张力，尤其当泡尺寸分布复杂时。
• 在高红移时，再电离起始与大泡扩张之间存在显著的时间延迟，但到z ≤ 6.5时，该延迟显著缩短。