[論文レビュー] Density profiles and voids in modified gravity models

M. Martino, Ravi K. Sheth|ArXiv.org|Nov 10, 2009

Hydraulic Fracturing and Reservoir Analysis参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、大規模重力が強化または抑制される現象論的モデルを含む修正重力が、宇宙の空洞およびダークマター銀河団の形成と構造にどのように影響するかを調査する。球対称コラプスモデルとシミュレーションを用いて、大規模重力が強くなると空洞の数が多くなり、銀河団の濃縮度も高くなることが示され、銀河団統計と併せて補足的制約を提供し、X線および弱引力レンズング調査で検出可能である可能性がある。

ABSTRACT

We study the formation of voids in a modified gravity model in which gravity is generically stronger or weaker on large scales. We show that void abundances provide complementary information to halo abundances: if normalized to the CMB, models with weaker large-scale gravity have smaller large scale power, fewer massive halos and fewer large voids, although the scalings are not completely degenerate with $σ_8$. Our results suggest that, in addition to their abundances, halo and void density profiles may also provide interesting constraints on such models: stronger large scale gravity produces more concentrated halos, and thinner void walls. This potentially affects the scaling relations commonly assumed to translate cluster observables to halo masses, potentially making these too, useful probes of gravity.

研究の動機と目的

• 宇宙空洞の形成および密度プロファイルに及ぼす修正重力の影響を検討すること。
• 大規模重力の修正を検証するための補足的プローブとして、空洞の頻度と銀河団の頻度を比較すること。
• 修正重力モデルにおける空洞および銀河団の密度プロファイルが、標準のΛCDM予測と顕著に異なるかどうかを評価すること。
• 空洞および銀河団の密度プロファイルが、重力理論の観測的検証にどの程度有効なプローブとなるかを評価すること。
• 正規化の選択（例：CMB対比z=0のパワースペクトル）が、修正重力モデルにおける大規模空洞の予測頻度に与える影響を特定すること。

提案手法

• パrameter α（振幅）および rs（スケール長）を有する修正重力ポテンシャルに、球対称トーパットコラプスモデルを適応する。標準的な1/r重力とは異なる。
• エネルギー保存則（式3）を用いて、非バーキッヒアン力が生じる修正重力の下での低密度領域の進化をモデル化する。
• 空洞頻度の推定にエク cursion set アプローチを適用し、数値シミュレーションとの比較を行う。
• シミュレーションにおける銀河団および空洞の壁の密度プロファイルを分析し、特に濃縮度と壁の厚さにおいて、標準重力とは異なる兆候を検出する。
• Fritz Stabenau の出力および Joerg Colberg の空洞探索アルゴリズムを用いて、モデル予測とシミュレーション結果を比較する。
• 正規化スキーム（例：CMB対比z=0パワースペクトルへの一致）が、空洞および銀河団統計に与える感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケール依存ポテンシャルを有する修正重力は、大規模宇宙空洞の頻度にどのように影響するか？
• RQ2 標準ΛCDMと比較して、修正重力における銀河団および空洞の壁の密度プロファイルはどのように異なるか？
• RQ3 空洞頻度は、銀河団頻度の測定と補足的かつ独立した制約を、修正重力に与えることができるか？
• RQ4 パワースペクトルの正規化（例：CMB対比z=0）が、修正重力モデルにおける大規模空洞の予測数に与える影響は何か？
• RQ5 修正重力における銀河団および空洞のプロファイルは、標準重力予測からどの程度測定可能なずれを示すか？

主な発見

• CMBパワースペクトルに同一に正規化した場合、大規模重力が強い（α > 0）と、より質量の大きな銀河団と、より多くの大規模空洞が形成される。
• z=0パワースペクトルに同一に正規化した場合、空洞頻度のα依存性は正規化方法に依存する：α < 0 の場合、初期パワーを増加させることで、CMB正規化の下で観察された傾向とは逆転する可能性がある。
• 修正重力における銀河団密度プロファイルは、α > 0 では濃縮度が増加し、α < 0 では準拡散半径でくぼみ（cusp）を示す。これは質量吸収ダイナミクスの変化を示唆する。
• 強い大規模重力（α > 0）のモデルでは、空洞の壁が薄くなる。これは弱引力レンズングや銀河クラスタリングによる検出可能な構造的差異を示唆する。
• CMBに正規化した場合、空洞および銀河団の頻度は強い重力に対して同様に反応するが、z=0正規化では反応が異なる。これにより、修正重力と非ガウス初期条件を区別する手がかりが得られる。
• 初期のシミュレーションでは、解析的予測と数値結果が定性的に一致するが、定量的差異が生じる。これは、エク cursion set アプローチの限界やシミュレーション解像度の不足を示唆する。