[论文解读] The THESAN project: properties of the intergalactic medium and its connection to Reionization-era galaxies

Enrico Garaldi, Rahul Kannan+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用 6

一句话总结

THESAN项目展示了一套高分辨率的辐射流体动力学模拟，自洽地模拟了红移 $z \geq 5.5$ 时的电离间歇介质（IGM）和高红移星系，重现了观测到的电离光子平均自由程演化以及Ly$\alpha$透射特征。结果表明，观测到的Ly$\alpha$通量调制对再电离时期的时间高度敏感，从而能够将再电离历史与源模型不确定性分离开来。

ABSTRACT

The high-redshift intergalactic medium (IGM) and the primeval galaxy population are rapidly becoming the new frontier of extra-galactic astronomy. We investigate the IGM properties and their connection to galaxies at $z\geq5.5$ under different assumptions for the ionizing photon escape and the nature of dark matter, employing our novel THESAN radiation-hydrodynamical simulation suite, designed to provide a comprehensive picture of the emergence of galaxies in a full reionization context. Our simulations have realistic `late' reionization histories, match available constraints on global IGM properties and reproduce the recently-observed rapid evolution of the mean free path of ionizing photons. We additionally examine high-z Lyman-$α$ transmission. The optical depth evolution is consistent with data, and its distribution suggests an even-later reionization than simulated, although with a strong sensitivity to the source model. We show that the effects of these two unknowns can be disentangled by characterising the spectral shape and separation of Lyman-$α$ transmission regions, opening up the possibility to observationally constrain both. For the first time in simulations, THESAN reproduces the modulation of the Lyman-$α$ flux as a function of galaxy distance, demonstrating the power of coupling a realistic galaxy formation model with proper radiation-hydrodynamics. We find this feature to be extremely sensitive on the timing of reionization, while being relatively insensitive to the source model. Overall, THESAN produces a realistic IGM and galaxy population, providing a robust framework for future analysis of the high-z Universe.

研究动机与目标

• 模拟红移 $z \geq 5.5$ 时的高红移间歇介质（IGM）及其与早期星系的关联，处于再电离时期（EoR）
• 测试关于电离光子逃逸分数和暗物质本质的不同假设如何影响IGM性质与星系形成
• 重现并解释观测约束，如电离光子平均自由程的快速演化以及Ly$\alpha$森林光学厚度
• 开发一个自洽的模拟框架，将真实的星系形成与实时辐射流体动力学耦合，以实现精确的IGM建模

提出的方法

• THESAN模拟套件采用自适应网格加密（AMR）的辐射流体动力学方法，并实现实时电离辐射传输
• 其包含一个全面的星系形成模型，涵盖恒星形成、反馈与金属富集，校准至低红移观测结果
• 模拟通过频率依赖的辐射传输方案自洽演化IGM的电离状态
• 其引入了具有不同电离光子逃逸分数的现实源模型，并探索了不同的暗物质情景
• 该框架计算Ly$\alpha$透射统计量与通量调制随与星系距离的变化，实现与观测的直接比较
• 模拟通过全球IGM约束（包括Gunn-Peterson凹陷、类星体消光翼以及Ly$\alpha$发射体数密度）进行了验证

实验结果

研究问题

• RQ1 再电离的时间如何影响观测到的Ly$\alpha$通量随与高红移星系距离变化的调制？
• RQ2 在具有现实再电离历史的模拟中，能否重现观测到的电离光子平均自由程的快速演化？
• RQ3 Ly$\alpha$透射区域的光谱形状与分离是否能够将再电离时间的影响与电离源模型的影响分离开来？
• RQ4 模拟的IGM性质（如光学厚度演化与Ly$\alpha$森林光学厚度）在 $z \gtrsim 5.5$ 时与观测约束的符合程度如何？
• RQ5 星系邻近效应在塑造Ly$\alpha$透射场中起什么作用，且该效应对再电离时间的敏感性如何？

主要发现

• THESAN模拟重现了高红移类星体光谱中观测到的电离光子平均自由程的快速演化，支持一种‘晚期’再电离历史
• 模拟的Ly$\alpha$光学厚度演化与观测一致，但分布表明再电离时间晚于模拟结果，且对源模型高度敏感
• 模拟表明，Ly$\alpha$通量随与星系距离的调制对再电离时间高度敏感，但对电离源模型相对不敏感
• 首次在模拟中完整重现了由邻近效应引起的Ly$\alpha$通量空间调制，与观测到的与星系邻近度的依赖关系一致
• 模拟表明，Ly$\alpha$透射区域的光谱形状与分离可作为观测手段，用于区分再电离时间与源模型不确定性的效应
• 结果表明，若采用更晚的再电离历史，将能更好地与观测到的IGM性质（尤其是平均自由程与光学厚度）达成一致