Nouvelles simulations éclairent l'ère de la réionisation

Pendant une période spécifique de l'histoire de l'Univers connue sous le nom d'époque de réionisation (EoR), on peut observer des signaux d'Hydrogène neutre dans l'espace. Ces signaux aident à comprendre comment l'Univers a évolué et peuvent nous en dire plus sur la distribution de la matière noire dans les galaxies après cette période. De nouvelles simulations informatiques ont été développées pour étudier comment l'Univers a changé depuis l'époque de réionisation jusqu'au moment où la plupart de l'hydrogène neutre est devenu partie intégrante des galaxies.

On a utilisé des modèles qui correspondent aux mesures actuelles à grand décalage vers le rouge. Ces mesures montrent comment les galaxies émettent de la lumière dans la gamme ultraviolette. Nos simulations ont pu suivre l'arrière-plan de la lumière ultraviolette (UV) qui aide à éclairer l'Univers. On a découvert que les photons UV des galaxies pouvaient voyager environ 10 mégaparsecs comoving avant d'être absorbés. À mesure que l'hydrogène neutre de l'Univers diminuait, on a constaté que la façon dont l'ionisation se produisait changeait d'intérieur vers l'extérieur à l'extérieur vers l'intérieur quand moins de 0,01 pour cent de l'Univers était neutre.

Même tard dans le processus de réionisation, on a observé de grandes régions neutres qui pouvaient laisser des marques dans les spectres d'absorption qu'on mesure et influencer les signaux qu'on obtient quand on étudie le spectre de puissance du Signal de 21 cm.

#Observations et techniques

Avec l'arrivée de nouveaux outils d'observation comme le télescope spatial James Webb, on peut maintenant voir plus de l'Univers des temps plus anciens. Les données qu'on collecte sur les galaxies et les quasars ont considérablement augmenté ces dernières années. Ces observations nous fournissent des infos sur la cosmologie et l'astrophysique pendant l'époque de réionisation, qui est le moment où les premières sources de lumière se sont formées et ont ionisé le gaz d'hydrogène dans l'espace.

Les modèles précédents ne regardaient la réionisation que jusqu'à un certain point, mais des observations récentes ont suggéré que le processus s'est étendu plus loin. Les dernières mesures ont aussi indiqué des changements dans des valeurs globales importantes, comme le fond de photons ionisants moyen et la distance que peuvent parcourir les photons UV. Ces décalages ont été quelque peu difficiles à capturer dans les simulations, mais des études récentes ont travaillé pour résoudre ces problèmes.

Notre simulation de l'Univers primordial utilise l'émission de la ligne 21 cm de l'hydrogène neutre pour révéler des infos sur la structure cosmique et la formation des galaxies. Pendant l'EoR, ce signal peut nous aider à voir comment l'hydrogène dans le milieu intergalactique a évolué. Après la réionisation, le signal reflète principalement les conditions à l'intérieur des galaxies, où l'hydrogène est à l'abri de la lumière UV.

#Détails de la simulation

Modéliser le milieu intergalactique pendant les étapes finales de la réionisation est assez complexe en raison des bulles ionisées qui se chevauchent. Ces chevauchements permettent aux photons UV de se déplacer librement dans de grandes zones du milieu. On a développé une série de simulations pour étudier les processus en jeu pendant ces étapes finales.

On a d'abord modélisé la formation de la structure cosmologique en utilisant un code de simulation, créant un cadre détaillé pour notre exploration. Cela nous a permis de générer une gamme de halos de matière noire, qui sont des structures composées de matière noire pouvant héberger des galaxies.

Nos simulations partent d'un modèle cosmologique de matière noire froide plate avec des paramètres spécifiques basés sur des découvertes antérieures. On a configuré nos simulations pour représenter les conditions à l'époque et observé comment la matière noire et les galaxies interagissaient au fil du temps.

Pour la réionisation du milieu intergalactique, on a utilisé un code de simulation de transfert radiatif. Ce code nous aide à étudier comment la lumière des galaxies voyage dans l'espace et comment elle est absorbée par l'hydrogène. On a conçu notre simulation pour incorporer différents modèles pour les sources ionisantes et comment elles interagissent avec leur environnement.

On a mis en place un moyen simple de comprendre l'hydrogène dans nos galaxies simulées. En utilisant des données existantes sur les galaxies et leur luminosité, on a pu relier différentes propriétés de la matière et estimer le taux auquel les galaxies produisaient de la lumière UV.

#Comprendre le Fond ionisant

Le fond ionisant joue un rôle majeur dans la façon dont le milieu intergalactique est réionisé. Nos simulations ont révélé comment le fond UV se comporte au fil du temps et comment il influence la réionisation. On a aussi examiné comment les structures non résolues dans le milieu peuvent absorber la lumière, affectant le processus d'ionisation global.

L'évolution du fond ionisant peut changer en fonction des petits absorbeurs présents dans le milieu, ce qui est important pour comprendre comment la réionisation se produit.

Différents modèles ont été appliqués pour capturer ce phénomène, nous permettant de voir comment le fond ionisant évolue par rapport aux sources de lumière dans l'Univers. Notre objectif était de s'assurer que nos modèles étaient cohérents avec les mesures actuelles.

#Le rôle de l'hydrogène neutre

Après la réionisation du milieu intergalactique, le signal de 21 cm détecté représente l'hydrogène neutre trouvé dans les galaxies, qui est protégé de la lumière environnante. Observer ce signal depuis les galaxies est difficile, donc on vise à suivre l'émission totale en utilisant le signal intégré à travers des zones plus larges.

Simuler le contenu en hydrogène à l'intérieur des galaxies est compliqué sans des simulations détaillées de la façon dont le gaz s'écoule entre le milieu intergalactique et les galaxies. À cause de ça, on a pris une approche plus simple pour estimer la quantité d'hydrogène basée sur la masse des halos de matière noire dont elles font partie.

On a trouvé des moyens de prédire la fraction d'hydrogène dans les halos de matière noire et comment cela se rapporte au contenu global en hydrogène dans nos modèles. En faisant ça, on a pu mieux comprendre le processus de réionisation et comment l'hydrogène évolue au fil du temps.

#Analyser les modèles de réionisation

On a évalué différents modèles de réionisation et leurs paramètres. Chaque modèle incluait des facteurs liés aux sources de lumière et à la structure à petite échelle de l'univers. En comparant nos modèles aux mesures précédentes, on visait à valider notre approche pour simuler les dernières étapes de la réionisation.

En analysant le progrès de la réionisation dans nos simulations, on a relié les résultats aux observations actuelles. On a observé la croissance du fond ionisant et comment il répondait à différents modèles de source et de puits.

La topologie de la distribution de l'hydrogène neutre a montré des comportements distincts au cours du processus de réionisation. On a suivi ces changements au fil du temps, examinant comment la distribution a évolué à mesure que la réionisation progressait.

#Observations des îles neutres

Dans notre étude, on a trouvé de grandes îles neutres qui ont persisté pendant les dernières étapes de la réionisation. Ces grandes zones sont significatives car elles peuvent affecter les mesures statistiques du signal de 21 cm.

On a créé un cadre statistique pour mesurer ces îles, révélant qu'elles sont suffisamment substantielles pour impacter les fluctuations à grande échelle qu'on observe dans le signal de 21 cm. Même tard dans la réionisation, il était clair que ces îles jouaient un rôle important.

Les tailles de ces îles neutres variaient, certaines étant assez grandes pour qu'on puisse potentiellement les détecter dans les prochaines données des nouveaux projets d'observation.

#Le signal de 21 cm et le spectre de puissance

Le signal de 21 cm peut être mesuré à des fréquences radio spécifiques. Ce signal fournit des insights sur la distribution de l'hydrogène et son évolution au fil du temps. En analysant le spectre de puissance du signal de 21 cm, on a pu voir comment les émissions du milieu intergalactique et des galaxies ont redessiné les observations globales.

À travers nos simulations, on a examiné ce spectre de puissance en détail sur diverses époques de décalage vers le rouge. On a identifié des moments dans le temps où les contributions des galaxies ont commencé à dominer le signal à mesure que la réionisation touchait à sa fin.

Ce changement dans le spectre de puissance illustre la transition d'une exploration du milieu intergalactique à un examen des galaxies elles-mêmes, soulignant une partie fondamentale de notre compréhension de l'histoire de l'Univers.

#Conclusion

Notre étude complète montre comment des simulations avancées peuvent aider à notre compréhension de l'époque de réionisation et de l'évolution subséquente de l'Univers. On a créé un cadre solide qui intègre les observations à grand décalage et des modèles pour suivre les changements dans la distribution de l'hydrogène neutre.

En explorant les dernières étapes de la réionisation, on a révélé des informations vitales sur la relation entre l'hydrogène et les galaxies, ainsi que sur la façon dont ces éléments interagissent avec la structure cosmique plus grande.

Les futures campagnes d'observation pourront s'appuyer sur nos découvertes et potentiellement découvrir de nouvelles informations sur les premières étapes de la formation des galaxies et l'histoire de notre Univers. Les connexions qu'on a établies entre le signal de 21 cm et l'évolution cosmique seront cruciales alors qu'on continue à développer notre compréhension de ces processus complexes.

Grâce à la recherche en cours et aux avancées dans les techniques d'observation, on espère éclairer davantage les processus complexes qui ont façonné l'Univers que nous observons aujourd'hui.