[論文レビュー] Constrained Local UniversE Simulations (CLUES)

S. Gottloeber, Yehuda Hoffman+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2010

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

CLUESプロジェクトは、銀河の径方向速度やX線クラスタの過密度といった観測データを初期条件に組み込むことで、局所宇宙の制約付きN体シミュレーションを実施し、局所団の周囲の大規模構造を再現する。主な結果として、シミュレーションに流体力学を組み込むことで、準位相の潮汐剥がれが軽減され、サブハローの質量が増加し、中心に集中するようになる。流体力学ありのシミュレーションでは、z=0における降着時の質量の約45％が保持されるのに対し、粒子のみのシミュレーションでは約35％にとどまり、また、より強い動的摩擦のため、z=0におけるホストへの距離は約2倍近づく。

ABSTRACT

The local universe is the best known part of our universe. Within the CLUES project (http://clues-project.org - Constrained Local UniversE Simulations) we perform numerical simulations of the evolution of the local universe. For these simulations we construct initial conditions based on observational data of the galaxy distribution in the local universe. Here we review the technique of these constrained simulations. In the second part we summarize our predictions of a possible Warm Dark Matter cosmology for the observed local distribution of galaxies and the local spectrum of mini-voids as well as a study of the satellite dynamics in a simulated Local Group.

研究の動機と目的

• 観測された大規模構造と一致する、宇宙論的に代表的な環境下での局所団の形成と進化をシミュレートすること。
• 銀河の固有速度およびクラスタの過密度に関する実際の観測データを用いて初期条件を制約することで、シミュレーションの宇宙分散を低減すること。
• 特にガス力学を含むバリオン物理学が、局所団内のサブハローの生存および軌道的進化に与える影響を調査すること。
• 制約付きシミュレーションを用いることで、近傍宇宙論の予測能力を向上させ、局所団の形成歴の独自性を検証すること。

提案手法

• MARK III、SBF、Karachentsevなどのカタログに含まれる銀河の固有速度に関する観測データを組み込んだ、ガウス確率的場の制約付き実現を用いて初期条件を構築する。
• X線で選別されたクラスタ（例：Reiprich et al. 2002）から得られるクラスタの線形過密度に関する制約を適用し、球対称トッパーハットモデルを仮定して、準位パラメータを初期密度場にマッピングする。
• 局所団領域で高解像度（約4096³粒子）を達成できるよう、ズームイン技術を用いて、流体力学ありおよびなしの高解像度N体シミュレーションを実行する。
• 制約付きシミュレーションを用いてサブハローの力学的進化をモデル化し、粒子のみのシミュレーションとガス力学ありのシミュレーションを比較することで、バリオン物理学が潮汐剥がれおよび軌道減衰に与える影響を評価する。
• 時間経過に伴うサブハロー質量の進化および軌道の解析を実施し、特にM31における降着中の衛星群の半径分布をz=0で重点的に分析する。
• シミュレーション出力と観測結果を直接比較し、バリオン物理学がサブハローの生存および空間的分布に与える影響を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シミュレーションに流体力学を組み込むことで、局所団内のサブハローの質量損失および軌道的進化にどのような影響が生じるか？
• RQ2 制約付きシミュレーションは、バービオクラスタ、グレートアトラクトル、ペルセウス＝ピスケス超銀河団を含む、観測された局所宇宙の大規模構造をどの程度再現できるか？
• RQ3 シミュレートされた局所団の合体歴は観測された局所団とどのように異なり、観測された構成はどの程度独自性を有するか？
• RQ4 温い暗黒物質（WDM）モデルは、ミニボイドの形成および局所宇宙における全般的な銀河分布にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 降着中の衛星サブハローの軌道的性質は時間経過とともにどのように変化するか？また、その角運動量の整列はどの程度維持されるか？

主な発見

• 流体力学ありのシミュレーションでは、2×10⁸ h⁻¹M☉以上の質量を持つサブハローは、z=0時点で降着時の質量の約45％を保持するが、粒子のみのシミュレーションでは約35％にとどまる。これは、中心密度が高いために潮汐剥がれが軽減されたことを示している。
• ガス力学ありのシミュレーションにおけるサブハローは、粒子のみのシミュレーションのそれよりもz=0時点で約2倍ホストハローの中心に近づいている。これは、質量集中度が高いために動的摩擦が強化されたためである。
• SPHを用いたサブハローは、最初の近点通過時に粒子のみのシミュレーションのサブハローと比較して、約2倍深くホストハローに侵入している。これは、バリオン物理学の存在下で軌道減衰がより速やかに進行していることを示している。
• 降着中の衛星群の角運動量ベクトルの整列は、グループが崩壊する前でさえも良好に保存されていない。これは、現在の運動ベクトルから過去の軌道を再構成する際には注意が必要であることを示唆している。
• 温い暗黒物質（WDM）モデルは、低質量ハローの数を減少させ、ミニボイドの形成を抑制し、標準的なCDMモデルよりも観測された局所銀河分布に適合する。
• 制約付きシミュレーションは、局所スーパクラスタ、バービオクラスタ、グレートアトラクトルを含む、局所宇宙の大規模構造を、約100 h⁻¹Mpcの代表的体積内で成功裏に再現している。