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Fiche détaillée Thèses
Institut d'Astrophysique de Paris (24/06/2009), Françoise Combes, Benoît Semelin (Dir.)
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Simulation de l'époque de la réionisation : transfert radiatif
S. Baek1

La raie hyperfine à 21-cm de l'hydrogène atomique émise dans l'univers à grand redshift (6 < z < 20) permettra de sonder une nouvellère de la cosmologie, l'époque de la réionisation (EoR). Elle fournira des informations plus détaillées, moins ambigües et plus complètes en 3D que les autres observations possibles de l'EoR (comme les raies d'absorption des quasars, ou le CMB). Son intensité dépend de nombreux processus physiques. Les radiotélescopes de nouvelle génération, SKA et ses précurseurs, entreront en service dans les prochaines années pour observer ce signal. La simulation numérique du 21-cm est importante pour optimiser le design des instruments et interpréter les observations futures.
Dans ce travail, nous avons développé un module de transfert radiatif pour le continuum ionisant dans le code LICORICE dans le but de simuler l'époque de la réionisation, pour laquelle le transfert radiatif est un outil essentiel. Nous utilisons un algorithme de ray-tracing de type Monte Carlo sur une grille adaptative. Plusieurs tests sont réalisés pour valider le code dans deux cas, celui d'un champ de densité statique et dans le cas de l'hydrodynamique radiative.
Nous produisons ensuite le signal à 21-cm émis pendant l'EoR, qui nous fournit une sonde directe de la réionisation et contient de nombreuses informations sur les sources d'ionisation et de chauffage. Habituellement, on suppose que le flux Ly-α, qui influence la puissance du signal à 21-cm, est fort et homogéne pendant toute la réionisation, mais cette hypothèse n'est pas valable durant la première phase de l'EoR. Nous évaluons exactement le flux Ly-α local en utilisant le module de transfert radiatif de la raie Lyman α et montrons que ce flux modifie le spectre de puissance du signal à 21-cm, particuliérement pendant la première phase de la réionisation. Nous trouvons également que le signal est en absorption forte ce qui ne peut pas être simulé avec les hypothèses habituelles.
Même une faible quantité de rayons X peut affecter l'état physique du gaz neutre dans le milieu inter galactique, puisque ceux-ci ont un libre parcours moyen très long. Le chauffage par les rayons X est un facteur important pour évaluer la puissance du signal à 21-cm dans les régions neutres, aussi avons nous inclus le ray-tracing correspondant dans LICORICE. Nous constatons que les rayons X ont besoin de temps pour élever la température du gaz au-dessus de la température du CMB. Ainsi, avec un niveau de rayons X raisonnable, nous continuons à observer le signal en absorption pendant la premi`ere phase de la réionisation.
De plus, nous étudions la formation des galaxies dans un contexte cosmologique. Le but est d'explorer la physique des galaxies primordiales en considérant la rétroaction radiative sur l'hydrodynamique. Nos résultats préliminaires montrent que le calcul de l'ionisation hors équilibre modifie la température du gaz diffus, et son histoire d'accrétion.
1 :  LERMA - Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique
transfer radiatif – Univers primoridal – structure à grande échelle de l'Univers – région HII – formation de galaxies

SImulation of the epoch of reionziation : radiative transfer
The 21-cm hyperfine line of neutral hydrogen from the high-redshift Universe (6 < z < 20) promises to probe a new era in cosmology, the epoch of reionization (EoR). It will provide more detailed, less ambiguous and more complete three-dimensional informations than other observations of the EoR (such as the QSO absorption lines, or the secondary scattering of CMB). It also traces many different physical processes. The next generation radio telescopes, SKA and its precursors, will start to operate within one decade, and will observe this signal. Numerical simulations predicting the 21-cm emission are important to optimize the design of the instruments, and interpret the observations.
In this work, we develop a continuum radiative transfer part for the LICORICE cosmological code to study the epoch of reionization, where radiative transfer is an essential tool. We use a Monte-Carlo ray-tracing algorithm on an adaptive grid. Several tests, both for static density field cases and radiative hydrodynamic cases have been performed to validate the code.
Then we compute the 21-cm signal during the EoR, which provides a direct probe on reionization and contains a lot of informations on the sources of ionization and heating. Usually the Ly-α flux, which influences the strength of the 21-cm signal, is assumed to be strong and homogeneous during the whole cosmic reionization, but this assumption is not valid during the early stage of EoR. We evaluate exactly the local Ly-α flux using the Lyman line radiative transfer module of LICORICE and show that using the local Ly-α flux modifies the power spectrum of the 21-cm signal, especially during the early reionization. We also find a strong signal in absorption which can not be predicted with the usual assumptions.
Even a small amount of X-rays can affect the physical state of the neutral inter galactic medium since X-rays have a very long mean free path. X-ray heating is an important factor to evaluate the strength of the 21-cm signal in the neutral regions, so we implemented the corresponding ray-tracing in LICORICE. We find that X-rays need time to increase the gas temperature in the IGM above the CMB temperature, so with a reasonable level of X-rays we can still see the signal in strong absorption during the early phase of reionization.
In addition, we study the formation of galaxies in a cosmological context. The goal is to explore the physics of primordial galaxies considering radiative feedback on hydrodynamics. In a preliminary way, we find that including non-equilibrium ionization modifies the temperature of the diffuse gas, and its accretion history.
radiative transfer – early Universe – large-scale structure of Universe – HII regions – galaxy formation