[論文レビュー] Hubble Flow Broadening Of The Lyman-alpha Forest And Its Implications

David H. Weinberg, Lars Hernquist+3 more|Scholarworks (University of Massachusetts Amherst)|Jan 1, 1997

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、クェเซアのスペクトルにおけるライマン＝アルファフォレスト線の幅広がりの主因が、空間的に広がった低密度の銀河間ガス構造におけるハッブル膨張であることを示しており、典型的な幅20–50 km/sを説明している。また、この物理的メカニズムから、光学的厚さと中性水素密度のガン＝ペターソン関係が自然に導かれることが示され、ライマン＝アルファフォレストが宇宙論的推論のための連続的かつ非線形的な密度場のトレーサーとして機能できることを示している。

ABSTRACT

Lyman-alpha forest lines in QSO spectra have typical widths of 20-50 km/s. Low column density absorbers in cosmological simulations are large, diffuse structures, and the Hubble flow across the spatially extended absorber is usually the dominant contribution to the width of its associated absorption line. Thermal broadening is unimportant over most of the spectrum, and peculiar velocities tend to make absorption features narrower rather than broader. As a consequence of Hubble flow broadening, there is a close relation between local Lyman-alpha optical depth and local neutral hydrogen density, which is well approximated by the Gunn-Peterson formula. The physics that governs the unshocked intergalactic medium leads to a tight correlation between the neutral hydrogen density and the underlying gas and dark matter overdensity. For many purposes, it is simpler to regard a Lyman-alpha forest spectrum as a continuous, non-linear map of the density field rather than a collection of discrete lines. This continuous field view of the Lyman-alpha forest can be applied to measurement of the baryon density parameter, testing of cosmological models, and robust determination of the shape and amplitude of the primordial mass power spectrum.

研究の動機と目的

• クェーサーのスペクトルにおける観測されたライマン＝アルファフォレスト吸収線の幅の物理的起源を理解すること。
• ハッブル膨張か、それ以外のメカニズム（例：熱的または特異速度）のどちらが、低列密度吸収体における線幅広がりを支配しているかを特定すること。
• ライマン＝アルファフォレストが、宇宙論的応用のための連続的かつ非線形的な宇宙密度場のマップとして扱えるかどうかを評価すること。
• ハッブル膨張による幅広がりが、バリオン密度パラメータの測定や宇宙論的モデルのテストに与える影響を評価すること。

提案手法

• 銀河間媒体の宇宙論的流体力学的シミュレーションを用いて、低列密度吸収体の運動学をモデル化すること。
• 空間的に広がった吸収体を横切るハッブル膨張が線幅に与える寄与を、熱的および特異速度の寄与と比較して計算すること。
• シミュレートされた吸収体の文脈で、光学的厚さと中性水素密度の関係をガン＝ペターソンの式を用いて関係づけること。
• シミュレーション出力において、局所的なガス過密度、ダークマター過密度、およびライマン＝アルファ光学的厚さの相関を評価すること。
• ライマン＝アルファフォレストを離散的な線ではなく連続的場として扱い、宇宙論的情報を抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クェーサーのスペクトルにおけるライマン＝アルファフォレスト吸収線の幅を決定づける主な物理的メカニズムは何か？
• RQ2 空間的に広がった吸収体を横切るハッブル膨張が、熱的または特異速度効果と比較して観測される線幅広がりにどのように寄与するか？
• RQ3 低密度ガスにおけるハッブル膨張の物理的性質から、ガン＝ペターソン関係がどの程度自然に出現するか？
• RQ4 ライマン＝アルファフォレストを、効果的に連続的かつ非線形的な宇宙密度場のトレーサーとして使用できるか？
• RQ5 ハッブル膨張による幅広がりが、バリオン密度パラメータや初期質量パワースペクトルの形状を測定する上で、どのような意味を持つのか？

主な発見

• 空間的に広がった低密度吸収体を横切るハッブル膨張が、ライマン＝アルファフォレスト線幅の主な寄与要因であり、観測された典型的な幅20–50 km/sを説明している。
• 熱的幅広がりはフォレストの大部分で無視できるほど小さく、特異速度は一般的に線幅を広げるのではなく、むしろ狭める傾向にある。
• ガス過密度とハッブル膨張に起因するドップラーシフトとの強い相関のため、光学的厚さと中性水素密度のガン＝ペターソン関係が、この物理的メカニズムから自然に再現される。
• ガスおよびダークマターの過密度は強く相関しており、ライマン＝アルファフォレストが宇宙密度場の連続的かつ非線形なマップとして使用できることを裏付けている。
• この連続的場としての視点により、バリオン密度パラメータの信頼性の高い測定と宇宙論的モデルのテストが可能になる。
• 初期質量パワースペクトルの形状と振幅は、ライマン＝アルファフォレストを密度トレーサーとして用いることで、信頼性高く制約可能である。