Симуляция Lumina: неоднородность рекомбинаций в эпоху реионизации

Ученые представили результаты проекта Lumina – крупнейшей гидродинамической симуляции реионизации. Исследование, опубликованное на arXiv, посвящено неоднородному характеру рекомбинаций в ранней Вселенной.

Рекомбинации в эпоху реионизации протекают неравномерно: разные области межгалактической среды дают разный вклад в зависимости от плотности, температуры и ионизационного состояния. Для корректного моделирования необходимы точные оценки фактора комковатости – параметра, характеризующего степень неоднородности.

Авторы работы использовали два набора симуляций: высоко- и среднеразрешающие Thesan-1 и Thesan-2 (95,5 Мпк) и существенно большую симуляцию Lumina (500 Мпк). Это позволило согласованно измерить факторы комковатости и скорости рекомбинаций при различных разрешениях и объемах.

Введены два типа фактора комковатости: стандартный для ионизованного водорода C_HII и рекомбинационно-взвешенный C_rec, учитывающий скорость рекомбинаций. Оказалось, что эволюция обоих факторов является приблизительно универсальной (разброс 10-20%), если ее выражать через глобальную ионизованную долю x_HII, а не через красное смещение.

При этом C_rec во всех симуляциях систематически ниже C_HII, причем разрыв увеличивается к низким красным смещениям из-за фотонагрева, подавляющего рекомбинации. Использование только плотности для оценки рекомбинаций дает завышение: мгновенная скорость рекомбинаций завышена в 1,29 раза при z?8 и в 1,84 раза при z?5, а интегральное число рекомбинаций к z?5 – в 1,45 раза.

Картирование рекомбинаций в плоскости плотность-температура показало, что доминирующие гребни хорошо описываются простыми аналитическими полосами термического равновесия. Дополнительно введен фазовый рекомбинационный интеграл и фактор комковатости C_ps, который изолирует собственное усиление рекомбинаций, связанное с ионизационной структурой и тепловым состоянием при фиксированных плотности и температуре.

Результаты проекта Lumina важны для уточнения космологических моделей реионизации и интерпретации наблюдений 21-сантиметровой линии нейтрального водорода. Учет неоднородностей рекомбинаций сокращает расхождения между теоретическими предсказаниями и данными телескопов.