The Epoch of Reionization

Eide, Marius Berge (2020): The Epoch of Reionization. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The Epochs of Cosmic Heating and Reionization are the early times in which the Dark Ages of the Universe concluded with a Cosmic Dawn. Sometime during the first billion years, the first galaxies formed, and with them came the first sources of light. Their radiation heated and ionized the gas that spanned the space between galaxies. The details surrounding this phase transition is the topic of this thesis. Awaiting decisive radio telescope observations of the early Universe, we have undertaken the task of modelling and simulating Cosmic Dawn in an unprecedented manner. We assembled a framework in which we combined theoretical models of sources of heat, ionization and light with a simulation of cosmic structure (and hence galaxy) formation and used these in a high-precision radiative transfer simulation. This allowed us to predict the heating and reionization process. We assumed that stars, X-ray binary systems and the interstellar medium emit ionizing radiation that escape from all galaxies, and that the most massive galaxies also host massive black holes, whose accretion disks are sources of warming light. To predict the location and radiative properties of the sources, we used the (100 cMpc $h^{-1}$)$^3$ hydrodynamic simulation MassiveBlack-II as our cosmic environment. We traced the radiation with the multifrequency ionizing three-dimensional `Cosmic RAdiative transfer Scheme for Hydrodynamics', CRASH. Our main finding is that stars are likely to be the main driver of reionization of hydrogen gas. Black holes are the only sources that may fully ionize helium, thus we expect them to dominate helium reionization at later times. The gas temperature is determined by their main ionizer, the stars, but may be raised tens of thousands of degrees further if a black hole is in the vicinity. The interstellar medium and the X-ray binaries do not drive reionization, but nevertheless heat and ionize neutral intergalactic gas ever so slightly---sufficiently to leave distinct signatures to be observed with present and future radio telescopes. We also investigate the long-standing question of the role of black holes. Not all galaxies in the hydrodynamic simulation host one. Training a neural network on those that did, we mock black holes and place them into all galaxies. We predict a population of faint BHs that may provide a significant, but not dominant contribution to hydrogen reionization. Future ray tracing simulations are needed to predict their thermal signatures. We conclude this thesis with a call for future radio observations to be done from the Moon. Our branch of astronomy has the potential to usher humanity into a new era of collaboration and peaceful space exploration.

Abstract

Die Epochen der kosmischen Erwärmung und Reionisierung sind Teil des Übergangs in dem das dunkle Zeitalter des Universums mit einer kosmischen Morgenröte endete. Irgendwann während der ersten Milliarde Jahre bildeten sich die ersten Galaxien und mit ihnen die ersten Lichtquellen, deren Strahlung das intergalaktische Gas erhitzte und ionisierte. Die Details dieses Phasenübegangs sind das Thema dieser Arbeit. In Erwartung entscheidender Beobachtungen des frühen Universums mit Radioteleskopen haben wir uns die Aufgabe gestellt, die kosmische Morgenröte in einer neuartigen Weise zu modellieren und zu simulieren. Wir haben dafür ein System zusammengestellt, in dem wir theoretische Modelle von Hitze-, Ionisierungs- und Lichtquellen mit einer Simulation der Entstehung der kosmischen Struktur (und damit der Galaxien) koppeln und somit zusammen in einer hochpräzisen Strahlungstransportsimulation verwenden können. Dies erlaubt uns Vorhersagen über den Erwärmungs- und Ionisierungsprozess. Wir nehmen unter anderem an, dass Sterne, Röntgendoppelsternsysteme und das interstellare Medium ionisierende Strahlung aussenden, die aus allen Galaxien austritt, und dass die massereichsten Galaxien auch massereiche Schwarze Löcher beherbergen, deren Akkretionsscheiben Quellen für heizende Strahlung sind. Um die Verteilung und die Strahlungseigenschaften der Quellen vorherzusagen, verwenden wir die hydrodynamische Simulation MassiveBlack-II mit ihrem Volumen von (100 cMpc $h^{-1}$)$^3$ als unsere kosmische Modellumgebung. Wir verfolgen die Strahlung mit CRASH, einem multifrequenten, ionisierenden, dreidimensionalen kosmischen Strahlungstransferprogramm für die Weiterverarbeitung von hydrodynamischen Simulationen. Unsere Haupterkenntnis ist, dass Sterne wahrscheinlich der Haupttreiber der Reionisierung von intergalaktischem Wasserstoff sind. Schwarze Löcher sind die einzigen Quellen, die Helium vollständig ionisieren können, weshalb wir erwarten, dass sie die Helium-Reionisierung zu späteren Zeiten dominieren. Die Gastemperatur wird von ihrem Hauptionisator, den Sternen, bestimmt, kann aber um Zehntausende von Grad weiter erhöht werden, wenn sich ein Schwarzes Loch in der Nähe befindet. Das interstellare Medium und die Röntgendoppelsterne treiben die Reionisierung nicht an, erwärmen und ionisieren aber dennoch das neutrale intergalaktische Gas geringfügig - ausreichend, um deutliche Signaturen zu hinterlassen, die mit gegenwärtigen und zukünftigen Radioteleskopen beobachtet werden können. Wir untersuchen auch die seit langem bestehende Frage nach der Rolle der Schwarzen Löcher. In der hydrodynamischen Simulation beherbergen nicht alle Galaxien ein solches, aber mithilfe eines neuronalen Netzwerks, trainiert auf denjenigen Galaxien, die eines beherbergen, bestücken wir künstlich alle Galaxien mit Schwarzen Löchern. Wir sagen eine Population von schwachen Schwarzen Löchern voraus, die einen signifikanten, aber nicht dominanten Beitrag zur Wasserstoff-Reionisierung leisten könnten. Zukünftige Raytracing-Simulationen sind erforderlich, um ihre thermischen Signaturen vorherzusagen. Wir schließen diese Arbeit mit dem Aufruf, zukünftige Radiobeobachtungen vom Mond aus durchzuführen. Unser Zweig der Astronomie hat das Potential, die Menschheit in eine neue Ära der Zusammenarbeit und der friedlichen Erforschung des Weltraums zu führen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Astronomy, astrophysics, cosmology, reionization, radiative transfer, simulations, galaxies, stars, x-ray binaries, black holes, interstellar medium, neural networks, artificial intelligence
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. Dezember 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: White, Simon D. M.