Simulações Eficientes da Formação de Estruturas Iniciais e Reionização

Estudos teóricos detalhados do universo em alto desvio para o vermelho, e especialmente da reionização, geralmente são obrigados a depender de códigos N-body demorados e/ou algoritmos de transferência radiativa. Apresentamos um método para construir "simulações" seminumericais, que podem gerar de forma eficiente realizações de distribuições de halos e mapas de ionização em altos desvios para o vermelho. Nosso procedimento combina uma abordagem de conjunto de excursão com a teoria de perturbação lagrangiana de primeira ordem e opera diretamente nos campos de densidade linear e velocidade. Assim, a faixa dinâmica alcançável com nosso algoritmo supera o limite prático atual dos códigos N-body por ordens de magnitude. Isso é particularmente significativo em estudos de reionização, onde a faixa dinâmica é o principal fator limitante, porque regiões ionizadas alcançam escalas de dezenas de Mpc em comovimento. Testamos nossos algoritmos de busca de halos e mapeamento de ionização separadamente em relação a simulações N-body com transferência radiativa e obtemos excelente concordância. Computamos as distribuições de tamanhos de regiões ionizadas e neutras em nossos mapas. Encontramos bolhas ionizadas ainda maiores do que os modelos puramente analíticos na mesma fração média de hidrogênio neutro ponderada por volume, x̄H I, especialmente no início da reionização. Também geramos mapas e espectros de potências das flutuações de temperatura de brilho de 21 cm, que pela primeira vez incluem correções devido a velocidades de massa do gás. Descobrimos que as velocidades alargam as caudas das distribuições de temperatura e aumentam o poder em pequenas escalas, embora esses efeitos rapidamente diminuam à medida que a reionização avança. Também incluímos alguns resultados preliminares de uma simulação rodando com a maior faixa dinâmica até agora: uma caixa de 250 Mpc que resolve halos com massas M ≥ 2.2 × 10 8 M⊙. Mostramos que modelar com precisão os estágios finais da reionização, x̄H I, ≲ 0.5, requer tais escalas grandes. A velocidade e a faixa dinâmica fornecidas por nossa abordagem seminumerical serão extremamente úteis na modelagem da formação de estruturas iniciais e reionização. © 2007. A Sociedade Astronômica Americana. Todos os direitos reservados.