Il en résulte que toute source émettant des photons UV va être entourée par une série de sphères concentriques, appelées horizons Lyman, que les photons émis dans différentes bandes de fréquence ne peuvent dépasser. Ainsi, le profil radial du flux Lyman-alpha autour des sources de rayonnement UV montre des discontinuités caractéristiques aux distances où les photons émis par les sources atteignent les différentes raies de la série de Lyman (Figure 1).

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Figure 1 : Figure 1 : Profil radial du coefficient de couplage pour l’excitation par Lyman-alpha, x_alpha, àz=13.42, autour de la première source apparaissant dans une simulation de 140 Mpc de taille (cette taille correspond àla taille mesurée aujourd’hui, en soustrayant l’expansion, on la dit "comobile"). La courbe rouge est le profil correct, alors que la courbe noire est le résultat d’une simulation négligeant l’apport des photons Lyman-alpha issus des raies supérieures de la série de Lyman. De nettes discontinuités s’observent aux positions correspondant aux horizons Lyman-gamma, Lyman-delta et Lyman-epsilon, dont les positions prédites sont indiquées par des flèches. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

A cause de l’effet Wouthuysen-Field, ceci se traduit par un profil similaire pour la température différentielle de brillance du signal à 21 cm observé par les radiotélescopes. Sur une carte du signal, les horizons Lyman sont matérialisés par des anneaux concentriques parfaitement sphériques visibles autour des sources (Figure 2).

Figure 2 : Carte de la quantité Delta T_b r2 àz = 13.42, où Delta T_b est la température différentielle (déviation par rapport au fond diffus cosmologique) de brillance du signal à21 cm et r la distance au centre de la source. L’échelle de couleur est logarithmique et en unités arbitraires. Les horizons Lyman-epsilon, Lyman-delta et Lyman-gamma sont marqués de flèches blanche, jaunes et rouges respectivement. L’image fait 140 Mpc comobiles de côté et a une épaisseur de 2.8 Mpc comobiles. La source de rayonnement se trouve au centre d’une bulle d’hydrogène ionisé (tache blanche centrale). Cliquer sur l’image pour l’agrandir

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Malheureusement, les autres sources qui apparaissent plus tard dans la simulation vont elles aussi contribuer au fond Lyman-alpha, ce qui va avoir pour effet de rendre ce dernier anisotrope, effaçant progressivement les discontinuités en anneaux. Les chercheurs du LERMA ont montré que les signaux annulaires sont visibles pendant un intervalle de redshift Delta z 2 après l’apparition de la première source. En utilisant une méthode de stacking (moyenne des profils radiaux pour toutes les sources de la simulation), ils parviennent à étendre cet intervalle jusqu’à Delta z 4, soit de z = 14 à z = 10 environ.

Il est intéressant de déterminer si cette signature prédite peut être détectée par le futur Square Kilometre Array (SKA), un gigantesque radiotélescope en développement qui sera considérablement plus sensible que les instruments actuels. Pour ce faire, du bruit instrumental a été rajouté au signal simulé. L’analyse montre que si le nombre de sources dans la simulation est suffisant, alors le moyennage des profils permet de lisser les perturbations individuelles, et les horizons Lyman sont malgré tout encore détectables (Figure 3).

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Figure 3 : Gradient du profil radial du signal à21 cm, àz=11.05, pour une simulation de 280 Mpc comobiles de côté. La courbe noire se réfère àla première source apparaissant dans la simulation, sans ajout de bruit instrumental. La courbe rouge se rapporte àla même source, mais après avoir ajouté du bruit. Quant àla courbe bleue, c’est celle du gradient du profil lorsque toutes les sources de la simulation ont été sommées ensemble. Cette méthode de moyenne est efficace, puisqu’elle permet de mettre en évidence les horizons Lyman-delta et Lyman-epsilon (pics du gradient, indiqués par des flèches), alors que ceux-ci ne sont pas détectables sur les profils individuels, bruités ou non. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Référence

P. Vonlanthen, B. Semelin, S. Baek, Y. Revaz Distinctive rings in the 21 cm signal of the epoch of reionization Astronomy and Astrophysics, sub (2011)

Contact

Patrick Vonlanthen (Observatoire de Paris, CNRS, LERMA)

Benoît Semelin (Observatoire de Paris, CNRS, LERMA)

Dernière modification le 22 février 2013

As a result, any source emitting in the UV band is surrounded by a series of concentric shells, so-called Lyman horizons, that photons emitted in given frequency bands cannot overtake. Therefore, the Lyman-alpha flux radial profile around UV sources shows characteristic discontinuities at distances where the emitted photons reach the different Lyman-series lines (Figure 1).

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Figure 1 : Radial profile for the coupling coefficient for Lyman-alpha excitation, x_alpha, at z=13.42, around the first source appearing in a 140 Mpc size simulation (this size corresponds to the size measured today, subtracting expansion, we call it "comoving"). The red line is the correct profile, while the black line is the result of a simulation that neglects the contribution of higher-order Lyman-series lines. Sharp discontinuities are detected at the predicted Lyman-gamma, Lyman-delta and Lyman-epsilon horizons (arrows). Click on the image to enlarge it

Because of the Wouthuysen-Field effect, this translates into a similar profile for the differential brightness temperature of the 21 cm signal. On maps of that signal, Lyman horizons are marked as concentric, perfectly spherical rings around the sources (Figure 2).

Figure 2 : Map of the quantity Delta T_b r2 at z=13.42, where Delta T_b is the differential (deviation from the CMB) brightness temperature of the 21 cm signal, and r the distance to the source center. The color scale is logarithmic and in arbitrary units. The Lyman-epsilon, Lyman-delta and Lyman-gamma horizons are indicated with white, yellow and red arrows respectively. The map is 140 comoving Mpc on a side and the slice width is 2.8 comoving Mpc. The radiation source is located in the center of a ionized hydrogen bubble (central white spot). Click on the image to enlarge it

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Unfortunately, other nearby sources, appearing progressively in the simulation, will also contribute to the Lyman-alpha background, making it more and more anisotropic. This will progressively wipe out the ring-shaped discontinuities. The LERMA team showed that rings are visible during a redshift interval Delta z 2 after the first light source lit up. Using a stacking technique (averaging the radial profiles of all the sources in the simulation), they are able to extend this interval to Delta z 4, i.e. from z=14 to z=10 approximately.

It is interesting to determine whether that predicted signature will be detectable by the planned Square Kilometre Array, a huge radiotelescope in development which will be considerably more sensitive than any other radio instrument. In order to do so, instrumental noise has been added to the predicted signal. Analysis shows that if the number of sources is sufficient, the profile averaging procedure allows individual fluctuations to be smoothed, and then Lyman horizons are still detectable (Figure 3).

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Figure 3 : Gradient of the 21cm signal at z=11.05, in a 280 comoving Mpc simulation. The black line refers to the first source appearing in the simulation, without instrumental noise. The red line refers to the same source, this time with the addition of noise. Finally, the blue line shows the gradient of the profile when summing all the sources in the simulation. This averaging method is efficient, and we clearly detect the Lyman-delta and Lyman-epsilon horizons (gradient peaks, shown by arrows), which are not detected in the individual profiles, whether with or without noise. Click on the image to enlarge it

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Reference

P. Vonlanthen, B. Semelin, S. Baek, Y. Revaz Distinctive rings in the 21 cm signal of the epoch of reionization Astronomy and Astrophysics, sub (2011)

Contact

Patrick Vonlanthen (Observatoire de Paris, CNRS, LERMA)

Benoît Semelin (Observatoire de Paris, CNRS, LERMA)

Dernière modification le 4 mars 2013