Simulaciones y cálculos analíticos del crecimiento de burbujas durante la reionización del hidrógeno

Presentamos resultados de una simulación de gran volumen de la reionización del hidrógeno. Combinamos cálculos de transferencia radiativa en 3D y una simulación de N-cuerpos, que describe la formación de estructuras en el IGM, para detallar el crecimiento de las regiones HII alrededor de galaxias de alto corrimiento al rojo. Nuestra simulación sigue 1024³ partículas de materia oscura, en una caja de longitud lateral de 65.6 Mpc/h. Este gran volumen nos permite caracterizar con precisión la distribución de tamaños de las regiones HII a lo largo de la mayor parte del proceso de reionización. Al mismo tiempo, nuestra simulación resuelve muchas de las pequeñas galaxias que probablemente son responsables de la reionización. Confirma una imagen anticipada por modelos analíticos: las regiones HII crecen colectivamente alrededor de fuentes altamente agrupadas y tienen un tamaño característico bien definido, evolucionando desde una escala sub-Mpc al principio de la reionización hasta R>10 Mpc hacia el final. Presentamos una descripción estadística detallada de nuestros resultados y los comparamos con un esquema numérico híbrido basado en el modelo analítico de Furlanetto, Zaldarriaga y Hernquist. Encontramos que el cálculo analítico reproduce la distribución de tamaños de las regiones HII y el espectro de potencia de 21 cm de la simulación de transferencia radiativa de manera notable. Sin embargo, el campo de ionización de la simulación tiene más estructura a pequeña escala que el cálculo analítico, debido a la dispersión de Poisson en la abundancia simulada de galaxias a pequeñas escalas. Validamos un esquema simple para incorporar esta dispersión en nuestros cálculos. Nuestros resultados sugieren que los cálculos analíticos son lo suficientemente precisos como para ayudar a predecir e interpretar los resultados de futuras encuestas de 21 cm. En particular, nuestro esquema numérico rápido es útil para pronosticar restricciones de futuras encuestas de 21 cm y en la construcción de encuestas simuladas para probar procedimientos de análisis de datos.