Tester les approximations courantes pour prédire le signal 21 cm à l'époque de la réionisation et de l'aube cosmique

Prédire le signal 21 cm de l'époque de la réionisation et de l'aube cosmique est une tâche complexe et difficile. Au cours des dernières décennies, diverses hypothèses simplificatrices ont été appliquées pour rendre la modélisation plus abordable. Dans cet article, nous examinons la validité de plusieurs de ces hypothèses, en utilisant une suite de simulations composée de trois modèles sources astrophysiques différents qui sont compatibles avec les contraintes actuelles sur l'histoire de la réionisation et la fonction de luminosité UV. Nous montrons d'abord que l'hypothèse courante d'une température de spin saturée peut conduire à des erreurs significatives dans le signal de clustering 21 cm sur toute la période de réionisation. Il en va de même pour l'hypothèse d'un univers neutre pendant l'aube cosmique, qui peut entraîner une déviation significative du signal correct pendant la période de chauffage et de couplage Lyman-. Une autre hypothèse simplificatrice populaire consiste à prédire la température de brillance différentielle globale (dT₁) en fonction des quantités moyennes de la fraction de réionisation, de la température des gaz et du couplage Lyman-. Nous montrons qu'une telle approche conduit à un signal d'absorption 10 % plus profond par rapport aux résultats obtenus en moyennant la carte dT₁ finale. Enfin, nous examinons la méthode simplificatrice de décomposition du signal de clustering 21 cm en différents composants auto et croisés qui sont ensuite résolus en supposant la linéarité. Nous montrons que même si les champs individuels ont une variance bien inférieure à l'unité, ils ne peuvent souvent pas être traités de manière perturbative car les perturbations sont fortement non gaussiennes. En conséquence, les prédictions basées sur la solution perturbative des spectres de puissance auto et croisés individuels peuvent conduire à des résultats fortement biaisés, même si les termes d'ordre supérieur sont pris en compte.