Проект Lumina: оптическая глубина CMB оказалась на 7% выше из-за неоднородной реионизации
Астрофизики представили результаты проекта Lumina – крупномасштабной гидродинамической симуляции, которая впервые позволила напрямую вычислить оптическую глубину реликтового излучения (CMB) с учётом неравномерности процесса реионизации. Работа опубликована на сервере препринтов arXiv.
Учёные использовали два способа расчёта: на основе глобальной (объёмной) и массовой ионизационной истории, а также через прямое интегрирование вдоль лучей зрения в световых конусах симуляции. Оказалось, что усреднённое по лучам значение оптической глубины составило 0,0550 – на 7% больше, чем при использовании объёмного усреднения (0,0515). При этом массовое усреднение (0,0544) близко к точному результату.
Авторы связывают такое расхождение с тем, что реионизация протекает пятнисто: ионизованные пузыри возникают в областях высокой плотности, которые сами по себе сильнее влияют на оптическую глубину. Избыток накапливается в основном на красном смещении около 8, где сочетание высокой плотности и неоднородности поля ионизации максимально.
Поле оптической глубины оказалось негауссовым: разброс от луча к лучу превышает 5%, а флуктуации отслеживают ранние ионизованные сверхплотности и крупномасштабную структуру. Дополнительные эксперименты показали, что сглаживание поля ионизации на масштабах более 3 мегапарсек (в собственных единицах) подавляет корреляцию плотности и ионизации, занижая результат.
Исследователи также построили угловые спектры мощности и корреляционные функции в реальном пространстве для вкладов водорода, гелия и их ионов. Обнаружено, что на разных масштабах отклонения от простого совместного следа водорода и гелия меняются с красным смещением.
Полученные данные указывают на необходимость пересмотра космологических моделей, опирающихся на объёмное усреднение ионизационной истории. Для точного сравнения с наблюдениями Planck и будущих экспериментов следует использовать массовые доли электронов или прямое лучевое интегрирование.
