[論文レビュー] Cosmology with the Lyman-alpha Forest

David H. Weinberg, Scott Burles+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 1998

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、クェーサースペクトルにおけるリプマン＝アルファフォレストを用いて、宇宙の大規模構造を探査する宇宙論的枠組みを提示する。著者らは、フォレストを視線方向密度場の連続的マップとしてモデル化することで、高赤方偏移データにおけるフラックス減少統計および閾値通過周波数が、線形質量パワー スペクトル P(k) の形状と振幅を制約することを示し、インフレーション＋CDM モデルと一貫した結果を得ており、z=2.5 におけるオメガとオメガ_b についてもきめの細かい制約を提示している。

ABSTRACT

We outline the physical picture of the high-redshift Ly-alpha forest that has emerged from cosmological simulations, describe statistical characteristics of the forest that can be used to test theories of structure formation, present a preliminary comparison between simulation results and measurements from Keck HIRES spectra, and discuss a recent determination of the slope and amplitude of the linear mass power spectrum P(k) at z=2.5 from moderate resolution spectra. The physical picture is simple if each QSO spectrum is viewed as a continuous non-linear map of the line-of-sight density field rather than a collection of discrete absorption lines. The distribution of flux decrements depends mainly on the amplitude and PDF (Gaussian vs. non-Gaussian) of the primordial density fluctuations. The threshold crossing frequency, analogous to the 3-d genus curve, responds to the shape and amplitude of P(k) and to the values of Omega and Lambda. Open and Lambda-CDM models agree well with the measured flux decrement distribution at smoothing lengths of 25 km/s and 100 km/s and with the threshold crossing frequency at 100 km/s. Discrepancy with the observed threshold crossing frequency at 25 km/s may reflect the combined effects of noise in the data and limited mass resolution of the simulations. The slope of the measured P(k) agrees with the predictions of inflation+CDM models. Combining the amplitude with COBE normalization imposes a constraint on these models of the form Omega h^x n^y Omega_b^z = constant. Assuming Gaussian primordial fluctuations and a power spectrum shape parameter Gamma~0.2, consistency of the measured P(k) with the observed cluster mass function at z=0 requires Omega=0.46^{+0.12}_{-0.10} for an open universe and Omega=0.34^{+0.13}_{-0.09} for a flat universe (1-sigma errors). (Shortened)

研究の動機と目的

• リプマン＝アルファフォレストを、離散的な吸収線ではなく、視線方向密度場の連続的マップとして物理的モデル化すること。
• フォレストの統計的性質（たとえば、フラックス減少分布や閾値通過周波数）を用いて、宇宙構造形成理論を検証すること。
• シミュレーションの予測と Keck HIRES スペクトルを比較し、P(k) の振幅、形状、およびオメガなどの宇宙論的パラメータを制約すること。
• 測定された P(k) と z=0 のクラスタ質量関数との整合性を用いて、物質密度オメガおよびバリオン密度オメガ_b に制約を課すこと。
• シミュレーションの解像度とデータノイズが、小スケールにおける閾値通過周波数のずれに与える影響を評価すること。

提案手法

• リプマン＝アルファフォレストを、視線方向の1次元密度場の非線形的連続的トレーサーとしてモデル化する。
• 宇宙論的シミュレーションを用いて、さまざまな宇宙論的モデル（例：オープン宇宙およびラムダ-CDM）下での合成フォレストスペクトルを生成する。
• 統計的指標を分析する：平滑化スケール 25 km/s および 100 km/s におけるフラックス減少分布、および 100 km/s における閾値通過周波数。
• シミュレートされた統計と観測された Keck HIRES スペクトルを比較し、モデルの整合性を検証する。
• 中程度の分解能データから、z=2.5 における線形質量パワー スペクトル P(k) の勾配と振幅を測定する。
• COBE 正規化を適用し、ガウス型初期フラクチュエーションを仮定して、オメガ h^x n^y オメガ_b^z = 定数 の形の制約を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オープン宇宙およびラムダ-CDM 宇宙論的モデルは、z=2.5 における観測されたフラックス減少分布をどの程度よく再現するか？
• RQ2 フォレストデータにおける閾値通過周波数は、P(k) の形状と振幅をどの程度反映しており、シミュレーションと観測結果はどの程度一致するか？
• RQ3 測定された P(k) を z=0 の観測クラスタ質量関数と組み合わせることで、オメガおよびオメガ_b にどのような制約が得られるか？
• RQ4 データノイズとシミュレーションの質量解像度は、25 km/s 平滑化におけるシミュレーションとデータのずれにどの程度寄与しているか？
• RQ5 測定された P(k) の勾配は、インフレーション＋CDM モデルの予測と整合性があるか？

主な発見

• 25 km/s および 100 km/s の平滑化スケールにおけるリプマン＝アルファフォレストのフラックス減少分布は、オープン宇宙およびラムダ-CDM モデルの両方でよく再現されている。
• 100 km/s における閾値通過周波数はシミュレーションとよく一致しているが、25 km/s ではずれが生じており、これはデータノイズおよび限られたシミュレーションの質量解像度による可能性が高い。
• z=2.5 における線形質量パワー スペクトル P(k) の測定された勾配は、インフレーション＋CDM モデルの予測と整合している。
• 測定された P(k) の振幅と COBE 正規化を組み合わせることで、ガウス型初期フラクチュエーションを仮定して、オメガ h^x n^y オメガ_b^z = 定数 の形の制約が得られた。
• オープン宇宙の場合は、z=0 のクラスタ質量関数との整合性に基づき、オメガ = 0.46^{+0.12}_{-0.10}（1σ）が得られ、平坦宇宙の場合はオメガ = 0.34^{+0.13}_{-0.09}（1σ）が得られた。
• これらの結果は、ガウス初期条件を仮定したインフレーション＋CDM モデルの妥当性を支持しており、z=2.5 における宇宙論的パラメータにきめの細かい制約を与える。