[論文レビュー] Dark Matter Halo Mass Profiles

Dan Coe|arXiv (Cornell University)|May 3, 2010

Calibration and Measurement Techniques被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、NFW、Einasto、Sérsicプロファイルに焦点を当て、宇宙論的シミュレーションから導かれた校正済み質量-濃度関係（$c(M,z)$）を包括的にレビュー・統合する。より大きな質量のハローは濃度が低くなることが示され、$z=0$における$c_{200} \simeq 5.74 (M_{200}/2\times10^{12}h^{-1}M_\odot})^{-0.097}$であり、濃度は宇宙論的パラメータおよびハローの平衡状態に強く依存することが強調されている。

ABSTRACT

I provide notes on the NFW, Einasto, Sersic, and other mass profiles which provide good fits to simulated dark matter halos (S3). I summarize various published c(M) relations: halo concentration as a function of mass (S1). The definition of the virial radius is discussed and relations are given to convert c_vir, M_vir, and r_vir between various defined values of the halo overdensity (S2).

研究の動機と目的

• NFW、Einasto、Sérsic、およびその他の質量プロファイルが、シミュレートされたダークマターハローの密度プロファイルにどれほど適切にフィットするかを体系立てて比較すること。
• さまざまな宇宙論的シミュレーションおよび赤方偏移において、最新の$c(M,z)$関係を収集・校正すること。
• virial半径、過密度閾値（$\Delta_{\rm c}$）、および濃度パラメータ（$c_{\rm vir}$、$c_{200}$）の定義と相互変換を明確にすること。
• 宇宙論的パrameter（例：$\sigma_8$、$\Omega_m$）およびハローの平衡状態が濃度測定に与える影響を評価すること。
• 観測的宇宙論における重力レンズ効果およびクラスタ質量測定を解釈するための基準フレームワークを提供すること。

提案手法

• 大規模な宇宙論的シミュレーション（例：ミレニアム、WMAP5ベースのシミュレーション）から得たシミュレートされたダークマターハロー密度プロファイルに、NFW、Einasto、Sérsicプロファイルを適用してフィッティング。
• 臨界密度$\rho_{\rm crit}$に対する過密度$\Delta_{\rm c}$に基づくvirial半径の定義を採用し、$c_{\rm vir} = r_{\rm vir}/r_{-2}$（$r_{-2}$は密度が$\rho \propto r^{-2}$に比例する半径）として定義。
• ハローのサンプルに対して最小二乗法フィッティングを用いて$c(M,z)$関係を導出し、平衡状態に応じて分離した関係式を比較。
• NFWプロファイルの性質に基づく解析的関係を用いて、$c_{200}$、$c_{\rm vir}$、$c_{\Delta}$の間の相互変換を実施。
• WMAP1、WMAP3、WMAP5、WMAP7の宇宙論的パラメータを比較することで、宇宙論が濃度に与える影響を定量的に評価。特に$\sigma_8$が低い場合に$c$が約20%低下することを注目。
• CLASHおよびLoCuSS調査の観測データと比較し、先行研究（例：Bullock et al. 2001、Macciò et al. 2008）と照合することで結果の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NFW、Einasto、Sérsicプロファイルは、シミュレートされたダークマターハロー密度プロファイルのフィッティングにおいて、どのように比較されるか？
• RQ2 現在の宇宙論的シミュレーションにおけるダークマターハローの最適な$c(M,z)$関係は何か？また、ハローの平衡状態に応じてどのように変化するか？
• RQ3 過密度定義（$\Delta_{\rm c} = 100, 200, 200$）に応じて、濃度パラメータ$c_{200}$と$c_{\rm vir}$はどのように相互変換されるか？
• RQ4 宇宙論的パラメータ（例：$\sigma_8$、$\Omega_m$）はハローの濃度にどの程度影響を及ぼすか？また、シミュレーションセット間でその影響はどのように比較されるか？
• RQ5 観測的なレンズ効果によるクラスタ濃度測定値は、シミュレートされた$c(M,z)$関係とどのように比較されるか？乖離がある場合、それは何を示唆するか？

主な発見

• 最適な$c_{200}(M_{200}, z=0)$関係は$c_{200} \simeq 5.74 (M_{200}/2\times10^{12}h^{-1}M_\odot})^{-0.097}$であり、散らばりは$\Delta\log_{10}(c_{200}) \simeq 0.15$である。
• 平衡状態にあるハローは15–20%高い濃度を示し、$z=0$における関係は$c_{200} \simeq 6.67 (M_{200}/2\times10^{12}h^{-1}M_\odot})^{-0.092}$である。
• 濃度の赤方偏移依存性は$c \propto (1+z)^{-1}$のスケーリングよりも弱く、Duffyら（2008年）の結果と一致して、$c_{200} \propto (1+z)^{-0.47}$および$c_{\rm vir} \propto (1+z)^{-0.70}$である。
• 宇宙論は濃度に顕著な影響を与える：WMAP1シミュレーション（$\sigma_8 = 0.9$）におけるハローは、WMAP5シミュレーション（$\sigma_8 = 0.796$）に比べて約20%濃度が高い。
• 固定されたNFWプロファイルにおいて、$c_{100} \approx 1.37c_{200}$および$M_{100} \approx 1.3M_{200}$であることが示され、濃度と質量が過密度定義に強く依存していることが明らかになった。
• Duffyら（2008年）およびMacciòら（2008年）の$c(M,z)$関係は一貫しており、WMAP5宇宙論における$c(M,z)$の現在の最良推定値を反映している。