[論文レビュー] Arc statistics with realistic cluster potentials. IV. Clusters in different cosmologies

Matthias Bartelmann, A. Huss+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 1997

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、SCDM、τCDM、OCDM、ΛCDM の異なる宇宙論的モデルにおける銀河団のN体シミュレーションを用い、大規模なアーチ（長さ/幅比 ≥10）を生成する強引力レンズ効果の効率を評価する。その結果、観測されたアーチの頻度を再現できるのはオープンCDM（OCDM）のみであり、ΛCDMとτCDMは、銀河団の形成が遅れており、中心部の密度が低いため、アーチの予測数が1桁から2桁少ないことが判明。これにより、アーチ統計が強力な宇宙論的制約であることが示された。

ABSTRACT

We use numerical simulations of galaxy clusters in different cosmologies to study their ability to form large arcs. The cosmological models are: Standard CDM (SCDM; Omega_0=1, Omega_Lambda=0); tauCDM with reduced small-scale power (parameters as SCDM, but with a smaller shape parameter of the power spectrum); open CDM (OCDM; Omega_0=0.3, Omega_Lambda=0); and spatially flat, low-density CDM (LambdaCDM; Omega_0=0.3, Omega_Lambda=0.7). All models are normalised to the local number density of rich clusters. Simulating gravitational lensing by these clusters, we compute optical depths for the formation of large arcs. For large arcs with length-to-width ratio >= 10, the optical depth is largest for OCDM. Relative to OCDM, the optical depth is lower by about an order of magnitude for LambdaCDM, and by about two orders of magnitude for S/tauCDM. These differences originate from the different epochs of cluster formation across the cosmological models, and from the non-linearity of the strong lensing effect. We conclude that only the OCDM model can reproduce the observed arc abundance well, while the other models fail to do so by orders of magnitude.

研究の動機と目的

• 宇宙論的モデルが強引力レンズ効果による大規模アーチ形成に与える影響を評価すること。
• アーチ頻度が高密度と低密度の宇宙論的モデルを区別できるかどうかを特定すること。
• 銀河団の形成赤方偏移と内部構造がレンズ効率に与える影響を評価すること。
• 現実的な銀河団ポテンシャルを用いて、異なる宇宙論におけるシミュレートされたアーチの光学的厚さを比較すること。
• 観測されたアーチ数が、Ω₀ や Ω_Λ などの宇宙論的パラメータを制約できるかどうかを検証すること。

提案手法

• SCDM（Ω₀=1）、τCDM（小スケールパワー低減）、OCDM（Ω₀=0.3）、ΛCDM（Ω₀=0.3、Ω_Λ=0.7）の4つの宇宙論的モデルにおける銀河団をシミュレーションする。
• すべてのモデルを、局所的な銀河団の数密度（n_c ≈ 2×10⁻⁶ h³ Mpc⁻³）に一致させる。
• シミュレートされた銀河団ポテンシャルを用いた光線追跡により、強引力レンズ断面積を計算し、r ≥ 10 のアーチの光学的厚さを決定する。
• 臨界表面質量密度の赤方偏移依存性（z_s ≈ 1、z_c ≈ 0.3–0.4）を考慮する。
• 光学的厚さとソース密度（約2×10⁴ 個/sq. deg.）および空域（4.1×10⁴ sq. deg.）を組み合わせることで、空に存在する観測可能なアーチの総数を推定する。
• 観測されたEMSS銀河団調査データ（1クラスタあたり0.2–0.3個のアーチ）と、シミュレートされたアーチ数を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的モデルが、銀河団における大規模アーチ（r ≥ 10）の形成確率（光学的厚さ）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 同じ銀河団正規化のもとで、異なる宇宙論がなぜアーチ形成率に著しい差を生じるのか？
• RQ3 銀河団の形成時期が強引力レンズ効率にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 アーチ統計は、オープンCDM、ΛCDM、低パワーCDMモデルを区別できるか？
• RQ5 観測されたアーチ頻度は、さまざまな宇宙論における現実的な銀河団シミュレーションの予測と整合しているか？

主な発見

• 大規模アーチ（r ≥ 10）の光学的厚さは、オープンCDM（OCDM）で最大となり、τ ≈ 2.9×10⁻⁶ となる。
• ΛCDMでは、OCDMと比較して光学的厚さが約1桁小さくなる（τ ≈ 3.3×10⁻⁷）。
• SCDM/τCDMでは、OCDMと比較して光学的厚さが約2桁小さくなる（τ ≈ 4.4×10⁻⁸）。
• 空に存在する観測可能なアーチの総数は、OCDMでは約2400個、ΛCDMでは約280個、SCDM/τCDMでは約36個と推定される。
• 観測されたアーチ頻度（空に約1500–2300個）は、OCDMモデルでのみ最もよく一致するが、ΛCDMとSCDM/τCDMでは1〜2桁の差が生じる。
• この差は、高Ω₀モデルにおける銀河団の形成が遅れていることと、強引力レンズ効果が銀河団の準位構造とコンパクトネスに非線形的に依存するためである。