Étude des sources de la réionisation dans la simulation SPHINX

 L’importance des simulations numériques

Comme nous venons de le voir dans les sections précédentes l’étude des sources de la réionisation nécessite d’analyser les galaxies de faibles masses, non observées, et de prendre en compte la fraction d’échappement des photons ionisants. Les simulations numériques apparaissent alors comme un outil de choix, car elles permettent d’étudier les galaxies à l’époque de la réionisation à différents redhsifts et sur de larges gammes de masses et de propriétés physiques. Cependant les enjeux physiques au coeur de la réionisation font intervenir des échelles de grandeurs si différentes qu’il est impossible pour les simulations de simultanément toutes les décrire. De fait la réionisation est un phénomène cosmologique, faisant intervenir de nombreuses galaxies, mais dont la cause est le rayonnement des étoiles. Idéalement il faudrait donc que les simulations numériques aient une résolution allant de l’échelle stellaire à l’échelle intergalactique, ce qui est impossible. Pour palier ce manque de résolution deux grandes approches, que nous allons maintenant présenter, existent.

Les simulations ZOOM

Une première approche consiste à se focaliser sur une ou très peu de galaxies afin d’obtenir la meilleure résolution possible. Le plus souvent, cette approche se fait en deux étapes. La première consiste à générer à basse résolution une parcelle  d’univers suffisamment grande (généralement de l’ordre de grandeur de 100 cMpc) pour contenir des milliers de halos galactiques. Puis un faible nombre de halos sont sélectionnés au sein de la simulation pour être étudiés. Ces halos sont alors « raffinés », c’est-à-dire qu’on refait la simulation en augmentant la résolution au voisinage des halos choisis, afin de pouvoir résoudre le milieu interstellaire. Cette méthode, appelée « zoom », a l’avantage de pouvoir résoudre le transfert radiatif entre les photons et le gaz du milieu interstellaire. De nombreuses études ont fait le choix de cette méthode afin de caractériser la production et l’échappement de photons au sein des halos de l’époque de la réionisation (Kimm et Cen 2014; Kimm et al. 2017; Xu et al. 2016; Norman et al. 2018; Wise et Cen 2009; Wise et al. 2014; Trebitsch et al. 2017; Ma et al. 2015; Ma et al. 2020). Bien que cette technique permette de simuler un halo dans son contexte cosmologique, elle ne permet pas d’offrir une vision globale de l’époque de la réionisation et notamment d’étudier le comportement des galaxies d’un point de vue statistique. 

Les simulations à grandes échelles

L’autre approche consiste à se focaliser sur les processus à grandes échelles à l’aide de simulations non-zoomées dont la taille varie entre 10 et 600 cMpc. Ces simulations permettent d’étudier un grand nombre de galaxies (plusieurs milliers) et de couvrir une gamme de masse de plusieurs ordres de grandeurs concernant les halos (généralement ⇠ 108M&.