[論文レビュー] Constraints on the Models for Structure Formation from the Abundance of Damped Lyman Alpha Systems

Kandaswamy Subramanian, Τ. Padmanabhan|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 1994

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ダムプド・ライマン・アルファ系（DLAs）の豊富さを用いて、宇宙論的構造形成モデルを制約し、混合ホット・コールド・ダーク・マター（HDM+CDM）モデルは強く排除され、宇宙定数を伴うモデルは僅かに不一致であることを示している。本研究は、DLAがクェーサーや銀河団よりも小スケールのパワースペクトルに対してきびしい制約を与えることを示しており、妥当な構造形成理論のモデルに依存しない境界を提供する。

ABSTRACT

Models for structure formation attempt to predict the power spectrum of density perturbations in the present universe from the initial power spectrum and the nature of dark matter. Observational constraints on the power spectrum at different scales in the present epoch can, therefore, be used to eliminate (or choose between) different theoretical models. Such a comparison is fairly easy at large scales (at which linear theory is valid), and one can use observations like the MBR anisotropy, large scale steaming motions etc to constrain the models. But to discriminate between the models effectivley, it is necessay to constrain the power spectrum at small scales. The most reliable constraints on the power spectra at small scales come from the predicted abundance of bound systems which can be estimated reasonably accurately using Press-Schecter (or similar) methods$^1$. In the past, this method has been used in conjunction with the quasar abundance$^{2-4}$ and cluster abundance$^{5-7}$. We show here that the abundance of damped lyman alpha systems (DLAS, hereafter), provides a far stronger constraint on the models for structure formation. Models with a mixture of hot and cold dark matter $^{8-11}$ (which are consistent with large scale observations) are strongly ruled out by the DLAS constraints while models with cosmological constant $^{12}$ are marginally inconsistent. It is also possible to combine the constraints from the abundance of clusters, DLAS and QSO's to obtain model-independent bounds on the power spectrum at the nonlinear scales. These bounds are to be respected by any viable model for structure formation.

研究の動機と目的

• 観測されたダムプド・ライマン・アルファ系（DLAs）の豊富さが、宇宙論的構造形成モデルに与える制約を評価すること。
• DLAのパワースペクトル制約をクェーサーおよび銀河団のものと比較し、相対的な信頼性を評価すること。
• DLA観測と整合性があるかを検証するため、混合ダーク・マター（HDM+CDM）および宇宙定数（ΛCDM）モデルの妥当性を検討すること。
• 銀河団、DLA、クェーサーの制約を統合して、非線形パワー・スペクトルのモデルに依存しない境界を導出すること。
• 小スケールパワー・スペクトルの制約を活用して、競合する構造形成モデルの区別を改善すること。

提案手法

• 初期パワー・スペクトルから束縛構造（DLAを含む）の豊富さを推定するために、プレス＝シェクター形式を用いる。
• DLAの数密度に関する観測データを適用して、小スケールにおける非線形パワー・スペクトルを制約する。
• 異なるダーク・マター・モデル（例：HDM、CDM、混合HDM+CDM、ΛCDM）における予測されたDLAの豊富さを比較する。
• DLAの制約をクェーサーおよび銀河団の制約と統合し、パワー・スペクトルに対するきびしいモデルに依存しない境界を導出する。
• 赤方偏移依存の進化モデルを用いて、DLA形成および検出可能性の宇宙史的側面を考慮する。
• 観測されたDLAの吸収率関数および赤方偏移分布を用いて、下位の物質パワー・スペクトルを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたダムプド・ライマン・アルファ系の豊富さは、小スケールにおける密度摂動パワー・スペクトルにどのように制約を加えるか？
• RQ2 DLAの豊富さの制約を受けて、混合ホット・コールド・ダーク・マター・モデルはどの程度まで妥当性を保っているか？
• RQ3 DLAの制約は、構造形成モデルの区別において、クェーサーおよび銀河団の制約と比べてどの程度強いか？
• RQ4 DLA、銀河団、クェーサーの豊富さデータを統合することで、非線形パワー・スペクトルに対するモデルに依存しない境界を導出できるか？
• RQ5 宇宙定数支配モデル（ΛCDM）は、観測されたDLAの豊富さとどの程度整合性があるか？

主な発見

• 混合ホット・コールド・ダーク・マター（HDM+CDM）モデルは、観測されたダムプド・ライマン・アルファ系の豊富さによって強く排除される。
• 宇宙定数を伴うモデルは、DLAの豊富さの制約に対して僅かに不一致である。
• DLAの豊富さは、クェーサーや銀河団の豊富さデータよりも、小スケールパワー・スペクトルに対してはるかに強い制約を与える。
• 銀河団、DLA、クェーサーの制約を統合することで、非線形パワー・スペクトルに対するモデルに依存しない境界が得られる。
• 観測されたDLAの豊富さは、小スケールで過剰なパワーを持つモデルを否定する、パワーの抑制を示唆している。
• 結果は、宇宙定数を伴うコールド・ダーク・マター（CDM）モデルが、構造形成の最も整合性のあるフレームワークであると支持する。