[論文レビュー] ISIS: a new N-body cosmological code with scalar fields based on RAMSES. Code presentation and application to the shapes of clusters

Claudio Llinares, David F. Mota+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 42被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、スカラー・テンソル重力とスクリーニング機構を組み込んだRAMSES上に構築された新しいN体宇宙論コードISISを提示する。これにより、銀河団スケールのダークマター準拠の修正重力効果のシミュレーションが可能になった。結果として、シンメトロンおよび$f(R)$重力モデルでは、$\Lambda$CDMと比較して準拠の楕円率が増加することが判明した。特に$f(R)$モデルでは、長距離作用する第五力のもとで、直感に反してより球形に近い準拠が見られる傾向を示し、静的予測とは一致するが、時間発展に関する新たな効果が明らかになった。

ABSTRACT

Several extensions of the standard cosmological model include scalar fields as new degrees of freedom in the underlying gravitational theory. A particular class of these scalar field theories include screening mechanisms intended to hide the scalar field below observational limits in the solar system, but not on galactic scales, where data still gives freedom to find possible signatures of their presence. In order to make predictions to compare with observations coming from galactic and clusters scales (i.e. in the non-linear regime of cosmological evolution), cosmological N-body simulations are needed, for which codes that can solve for the scalar field must be developed. We present a new implementation of scalar-tensor theories of gravity which include screening mechanisms. The code is based in the already existing code RAMSES, to which we have added a non-linear multigrid solver that can treat a large class of scalar tensor theories of modified gravity. We present details of the implementation and the tests that we made to it. As application of the new code, we have studied the influence that two particular modified gravity theories, the symmetron and $f(R)$ gravity, have on the shape of cluster sized dark matter halos and found consistent results with previous estimations made with a static analysis.

研究の動機と目的

• スクリーニング機構を有するスカラー・テンソル重力の宇宙論的N体シミュレーションに適した柔軟で非線形多重グリッドスolverの開発。
• $\Lambda$CDMを超える修正重力理論における大規模構造形成の正確な予測の実現。
• シンメトロンおよび$f(R)$重力モデルにおけるダークマター準拠の形状に及ぼす時間発展の影響の調査。
• 既存のコードとは独立した実装により、信頼性を高める新しいシミュレーションツールの提供。

提案手法

• スクリーニング機構を有するスカラー・テンソル理論におけるスカラー場方程式を扱うために、RAMSESコードに非線形多重グリッドスolverを拡張。
• 準静的近似下で重力ポテンシャル$\Phi$、スカラー場$\phi$、粒子軌道の連立系を解く。
• 自由形式関数$S(\phi, \rho, a)$および$\mathbf{g}(\phi, \nabla\phi, a)$を用いることで、さまざまな修正重力モデルへの広範な適用性を実現。
• 計算コストを削減するため静的近似を適用しつつ、高解像度シミュレーションに柔軟に対応可能に。
• スカラー場プロファイルと力の収束性に関するテストを通じてコードの妥当性を検証し、数値的安定性を確認。
• シンメトロンおよび$f(R)$重力における銀河団スケール準拠の宇宙論的シミュレーションを実施し、$\Lambda$CDMとの準拠形状の比較を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー・テンソル重力における第五力の導入が、非線形領域におけるダークマター準拠の形状発展にどのように影響するか？
• RQ2 シンメトロンおよび$f(R)$重力におけるスクリーニング機構は、$\Lambda$CDMと比較して銀河団スケール準拠の楕円率をどの程度変化させるか？
• RQ3 スカラー場および物質分布の時間発展は、準拠の形状において静的予測からのずれを引き起こすか？
• RQ4 $f(R)$重力モデルにおける第五力の作用範囲が、準拠の最終形状にどのように影響するか？
• RQ5 シンメトロンモデルにおける形状効果の質量依存性は、異なるパrameter領域を区別する手がかりとなり得るか？

主な発見

• シンメトロンモデルでは、$\Lambda$CDMと比較して準拠の楕円率が増加し、従来の解析的推定と整合しており、銀河団形状における検出可能なシグナチャーであることが示された。
• $f(R)$重力では、第五力が長距離に及ぶ場合、$\Lambda$CDMと比較してわずかに球形に近い準拠が得られることがあり、直感に反する結果であり、静的解析では予測されない。
• スカラー場および物質分布の時間発展が、シンメトロンおよび$f(R)$両モデルにおいて静的仮定よりも高い楕円率を引き起こすことが確認され、動的発展の重要性が裏付けられた。
• コードの実装は非線形スカラー場行動および第五力効果を的確に捉えており、解像度およびパrameter設定の異なる条件でも結果が安定している。
• シンメトロンモデルにおける形状効果の質量依存性はパrameter空間全体で変動し、スケーリング関係を通じてモデルの区別が可能である可能性を示唆した。
• これらの結果は、特に流体力学的効果およびレンズ効果統計と組み合わせることで、銀河団の楕円率がスカラー・テンソル理論を制約するためのプローブとして有効である可能性を示唆している。