宇宙再电离的计算机模拟：电离背景与平均自由程的演化

对再电离末期阶段的观测表明，在$z\approx5-6$处，电离背景并非均匀，且平均自由程(MFP)变化剧烈。由于MFP与莱曼极限系统(Lyman Limit Systems, LLSs)和阻尼莱曼$\alpha$系统(Damped Lyman-alpha Systems, DLAs，或电离光子“汇”)的分布密切相关，理解它们至关重要。在本研究中，我们利用CROC模拟，该模拟具备足够高的空间分辨率来分辨星系形成和LLSs，并耦合了完整的辐射转移。在我们的分析中，我们将电离背景的演化与MFP联系起来。我们分析了两个具有不同再电离历史的CROC模拟盒，发现两个模拟盒中的电离背景分布均表现出显著的偏斜，偏离对数正态分布。此外，晚再电离盒中的电离背景在$z\approx5$时仍显示出显著的波动($\sim 40\%$)。我们还测量了从潜在类星体宿主暗物质晕中心0.1 Mpc处出发的视线方向的MFP。从这些视线测量的MFP演化表现出一个转折点，该转折点与每个模拟盒再电离历史中所有中性氢岛消失的时刻(即再电离历史的“脚踝”)相吻合。在没有LLSs的情况下，$z\approx5$时的MFP将被高估约$20\%$。我们还比较了从大质量暗物质晕出发的视线与随机视线的MFP。我们发现，在$z\approx5$时，从大质量晕出发的视线所测量的MFP比随机视线测量的MFP小约$10\%$。我们将这种差异归因于大质量晕周围1 Mpc范围内致密结构的集中。我们的研究结果强调了高保真模型在解释观测和约束再电离物理中的重要性。