Nuevas simulaciones arrojan luz sobre la era de reionización

Durante un tiempo específico en la historia del Universo conocido como la Época de Reionización (EoR), podemos observar señales de Hidrógeno neutro en el espacio. Estas señales nos ayudan a entender cómo evolucionó el Universo y pueden decirnos sobre la distribución de materia oscura en las galaxias después de este período. Se han desarrollado nuevas simulaciones por computadora para estudiar cómo cambió el Universo desde la época de reionización hasta el momento en que la mayoría del hidrógeno neutro se convirtió en parte de las galaxias.

Usamos modelos que coinciden con las medidas de alto desplazamiento al rojo actuales. Estas medidas muestran cómo las galaxias emitían luz en el rango de ultravioleta. Nuestras simulaciones pudieron seguir el fondo de luz ultravioleta (UV) que ayuda a iluminar el Universo. Descubrimos que los fotones UV de las galaxias podían viajar unos 10 megaparsecs en movimiento comóvil antes de ser absorbidos. A medida que disminuyó el hidrógeno neutro del Universo, encontramos que la forma en que ocurrió la ionización cambió de adentro hacia afuera a afuera hacia adentro cuando menos del 0.01 por ciento del Universo era neutro.

Incluso tarde en el proceso de reionización, observamos grandes regiones neutras que podrían dejar marcas en los espectros de absorción que medimos e influir en las señales que obtenemos cuando estudiamos el espectro de poder de la Señal de 21 cm.

#Observaciones y Técnicas

Con la llegada de nuevas herramientas de observación como el telescopio espacial James Webb, ahora podemos ver más del Universo de tiempos anteriores. Los datos que recopilamos de galaxias y cuásares han crecido significativamente en los últimos años. Estas observaciones nos proporcionan información sobre cosmología y astrofísica durante la época de reionización, que es cuando se formaron las primeras fuentes de luz e ionizaron el gas de hidrógeno en el espacio.

Modelos anteriores solo miraban la reionización hasta cierto punto, pero observaciones recientes han sugerido que el proceso se extendió más allá. Las medidas más recientes también han indicado cambios en valores globales importantes, como el fondo medio de fotones ionizantes y la distancia que pueden viajar los fotones UV. Estos cambios han sido algo difíciles de capturar en simulaciones, pero estudios recientes han estado trabajando para abordar estos problemas.

Nuestra simulación del universo temprano utiliza la emisión de línea de 21 cm del hidrógeno neutro para revelar información sobre la estructura cósmica y la formación de galaxias. Durante la EoR, esta señal puede ayudarnos a ver cómo evolucionó el hidrógeno en el medio intergaláctico. Tras la reionización, la señal refleja principalmente condiciones dentro de las galaxias, donde el hidrógeno está protegido de la luz UV.

#Detalles de la Simulación

Modelar el medio intergaláctico durante las etapas finales de reionización es bastante complejo debido a las burbujas ionizadas superpuestas. Estas superposiciones permiten que los fotones UV se muevan libremente en grandes áreas del medio. Desarrollamos un conjunto de simulaciones para estudiar los procesos en juego durante estas etapas finales.

Primero modelamos la formación de la estructura cosmológica usando un código de simulación, creando un marco detallado para nuestra exploración. Esto nos permitió generar una gama de halos de materia oscura, que son estructuras compuestas de materia oscura que pueden albergar galaxias.

Nuestras simulaciones asumen un modelo cosmológico de materia oscura fría plana con parámetros específicos basados en hallazgos anteriores. Configuramos nuestras simulaciones para representar las condiciones de ese momento y rastreamos cómo la materia oscura y las galaxias interactuaron a lo largo del tiempo.

Para la reionización del medio intergaláctico, utilizamos un código de simulación de transferencia radiativa. Este código nos ayuda a estudiar cómo la luz de las galaxias viaja a través del espacio y cómo es absorbida por el hidrógeno. Diseñamos nuestra simulación para incorporar diferentes modelos para las fuentes ionizantes y cómo interactúan con su entorno.

Construimos una manera sencilla de entender el hidrógeno en nuestras galaxias simuladas. Al usar datos existentes sobre galaxias y su brillo, pudimos conectar diferentes propiedades de la materia y estimar la tasa a la que las galaxias producían luz UV.

#Entendiendo el Fondo Ionizante

El fondo ionizante juega un papel importante en cómo se reioniza el medio intergaláctico. Nuestras simulaciones revelaron cómo se comporta el fondo UV a lo largo del tiempo y cómo influye en la reionización. También examinamos cómo estructuras no resueltas en el medio pueden absorber luz, afectando el proceso general de ionización.

La evolución del fondo ionizante puede cambiar según los pequeños absorbentes presentes en el medio, lo cual es importante para entender cómo ocurre la reionización.

Se aplicaron diferentes modelos para capturar este fenómeno, lo que nos permitió ver cómo evoluciona el fondo ionizante en relación con las fuentes de luz en el Universo. Nuestro enfoque era asegurarnos de que nuestros modelos fueran coherentes con las mediciones actuales.

#El Papel del Hidrógeno Neutro

Después de la reionización del medio intergaláctico, la señal de 21 cm detectada representa el hidrógeno neutro encontrado dentro de las galaxias, que está protegido de la luz circundante. Observar esta señal de las galaxias es un desafío, por lo que buscamos rastrear la emisión total usando la señal integrada a través de áreas más amplias.

Simular el contenido de hidrógeno dentro de las galaxias es complicado sin simulaciones detalladas de cómo fluye el gas entre el medio intergaláctico y las galaxias. Debido a esto, tomamos un enfoque más directo para estimar la cantidad de hidrógeno en función de la masa de los halos de materia oscura de los que forman parte.

Encontramos formas de predecir la fracción de hidrógeno en halos de materia oscura y cómo eso se relaciona con el contenido total de hidrógeno en nuestros modelos. Al hacer esto, pudimos entender mejor el proceso de reionización y cómo el hidrógeno evoluciona con el tiempo.

#Analizando Modelos de Reionización

Evaluamos diferentes modelos de reionización y sus parámetros. Cada modelo incluía factores relacionados con las fuentes de luz y la estructura a pequeña escala del universo. Al comparar nuestros modelos con mediciones anteriores, buscamos validar nuestro enfoque para simular las etapas finales de reionización.

A medida que analizamos el progreso de la reionización en nuestras simulaciones, conectamos los hallazgos con observaciones actuales. Observamos el crecimiento del fondo ionizante y cómo respondía a diferentes modelos de fuente y sumidero.

La topología de la distribución de hidrógeno neutro mostró comportamientos distintos durante el curso de la reionización. Rastreamos estos cambios a lo largo del tiempo, examinando cómo se desplazó la distribución a medida que avanzaba la reionización.

#Observaciones de Islas Neutras

En nuestro estudio, encontramos grandes islas neutras que persistieron durante las etapas finales de la reionización. Estas áreas grandes son significativas porque pueden afectar las mediciones estadísticas de la señal de 21 cm.

Creamos un marco estadístico para medir estas islas, revelando que son lo suficientemente sustanciales como para impactar las fluctuaciones a gran escala que observamos en la señal de 21 cm. Incluso tarde en la reionización, estaba claro que estas islas jugaron un papel importante.

Los tamaños de estas islas neutras variaron, siendo algunas lo suficientemente grandes como para que potencialmente pudieran ser detectadas en los próximos datos de nuevos proyectos de observación.

#La Señal de 21 cm y el Espectro de Poder

La señal de 21 cm se puede medir en frecuencias de radio específicas. Esta señal proporciona información sobre la distribución de hidrógeno y su evolución a lo largo del tiempo. Al analizar el espectro de poder de la señal de 21 cm, pudimos ver cómo las emisiones del medio intergaláctico y las galaxias remodelaron las observaciones generales.

A través de nuestras simulaciones, examinamos este espectro de poder en detalle a lo largo de varias épocas de desplazamiento al rojo. Identificamos momentos en el tiempo cuando las contribuciones de las galaxias comenzaron a dominar la señal a medida que la reionización llegaba a su fin.

Este cambio en el espectro de poder ilustra la transición de investigar el medio intergaláctico a examinar las galaxias mismas, destacando una parte fundamental de nuestra comprensión de la historia del Universo.

#Conclusión

Nuestro estudio integral muestra cómo las simulaciones avanzadas pueden ayudar en nuestra comprensión de la época de reionización y la evolución subsiguiente del Universo. Hemos creado un marco sólido que incorpora observaciones y modelos de alto desplazamiento al rojo para rastrear los cambios en la distribución de hidrógeno neutro.

Al explorar las etapas finales de la reionización, hemos revelado información vital sobre la relación entre el hidrógeno y las galaxias, así como sobre cómo estos elementos interactúan con la estructura cósmica más grande.

Las futuras campañas de observación podrán construir sobre nuestros hallazgos y potencialmente descubrir nueva información sobre las primeras etapas de formación de galaxias y la historia de nuestro Universo. Las conexiones que hemos hecho entre la señal de 21 cm y la evolución cósmica serán cruciales a medida que continuemos desarrollando nuestra comprensión de estos procesos complejos.

A través de la investigación continua y los avances en técnicas de observación, esperamos arrojar más luz sobre los intrincados procesos que moldearon el Universo que observamos hoy.