Новая теория последнего пересечения объясняет структуру космической реионизации

Как ультрафиолетовое излучение первых галактик ионизировало нейтральный водород ранней Вселенной? Ответ на этот вопрос дает новая работа, размещенная на arXiv. Исследователь вводит понятие последнего пересечения фотонного барьера — статистическую величину, которая помогает точнее описывать процесс космической реионизации.

В стандартной теории экскурсионных множеств, развитой Фурланетто и коллегами в 2004 году, размер ионизированного пузыря вокруг галактики определяется первым пересечением барьера, связанного с числом накопленных фотонов. Однако эта модель не учитывает, что галактики сами распределены неоднородно, а газ поглощает излучение по-разному в разных областях.

Новый формализм рассматривает последнее пересечение: это наименьший масштаб, на котором локальный запас фотонов еще способен ионизировать окружающий газ. Для этого масштаба автор вывел аналитическое распределение и применил его к данным гидродинамических симуляций CROC.

Оказалось, что последнее пересечение позволяет разделить области на два типа: внешне ионизированные, где условие по числу фотонов нарушается на масштабе меньше характерного, и внутренне ионизированные, где траектория остается выше барьера вплоть до разрешения модели. Внешние области в среднем более разрежены, а их размер коррелирует с более поздней реионизацией.

При фиксированной локальной плотности, масштабе первого пересечения и красном смещении реионизации во внешних областях наблюдается дефицит яркости ионизирующего излучения и числа галактик на малых радиусах, тогда как на промежуточных радиусах — избыток. Это сочетание низкой плотности газа и недостатка близких источников может объяснить происхождение так называемых трансмиссионных пиков Lyman-альфа: разреженная среда снижает непрозрачность, а более удаленные источники поддерживают ионизацию.

Таким образом, новый подход связывает геометрию внутренних источников внутри ионизированных областей с конкретным предсказанием: радиальное распределение галактик вокруг областей, отобранных по линиям Lyman-альфа, должно отличаться от среднего. Это делает теорию проверяемой с помощью будущих наблюдений.

Работа опубликована на arXiv и доступна для изучения профессиональному сообществу, однако пока не прошла рецензирование в научном журнале.