[論文レビュー] LCDM Correctly Predicts Basic Statistics of Galaxies: Luminosity-Velocity Relation, Baryonic Mass-Velocity Relation, and Velocity Function

Sebastian Trujillo-Gomez, Anatoly Klypin+2 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、高解像度のボルショイ暗黒物質シミュレーションとアバンドランスマッチングを用いて、標準的なΛCDM宇宙論モデルが、全光度-速度関係、バリオン質量-速度関係、および速度関数といった主要な銀河統計をうまく予測できることを示している。50 km s⁻¹以上の円運動速度を持つ銀河に関しては観測と良好な一致を示すが、この閾値未満ではまだ一致しない部分が残存している。

ABSTRACT

It has long been regarded as difficult if not impossible for a cosmological model to account simultaneously for the galaxy luminosity, mass, and velocity distributions. We revisit this issue using a modern compilation of observational data along with the most advanced large-scale cosmological simulation of dark matter. We find that the standard cosmological model fits – at least on average – all basic statistics of galaxies with circular velocities Vcirc > 50 km s −1 calculated at ∼10 kpc radius. Besides an SDSS-based r-band luminosity function, our primary observational constraint is the luminosity-velocity relation – which generalizes the Tully-Fisher and Faber-Jackson relations in allowing all types of galaxies to be included, and provides a fundamental benchmark to be reproduced by any theory of galaxy formation. We have compiled data for a variety of galaxies ranging from dwarf irregulars to giant ellipticals. The data present a clear monotonic luminosity-velocity relation from ∼ 50 km s to ∼ 500 km s, with a bend below ∼ 80 km s and a systematic offset between lateand early-type galaxies. For comparison to theory, we make use of our new ΛCDM “Bolshoi” simulation of dark matter, which has unprecedented mass and force resolution over a large cosmological volume, while using an up-todate set of initial conditions. We use an abundance-matching technique to assign rank-ordered galaxy luminosities to the dark matter halos, a procedure which automatically fits the empirical luminosity function and provides a predicted luminosity-velocity relation that can be checked against observations. The adiabatic contraction of dark matter halos in response to the infall of the baryons is included as an optional model ingredient. The resulting predictions for the luminosity-velocity relation are in good agreement with the available data on both early-type and late-type galaxies for the magnitude range from Mr = −14 to Mr = −22. We also compare our predictions for the cold baryon mass of galaxies as a function of circular velocity with the available observations, again finding good agreement except perhaps at the highest Vcirc. Finally, the predicted circular velocity function is in agreement with the galaxy velocity function from 80 to 400 km s, using the HIPASS survey for late-type and SDSS for early-type galaxies. However, in agreement with other recent results, we find that the dark matter halos with Vcirc < 50 km s are much more abundant than observed galaxies with the same Vcirc. Subject headings: cosmology: theory — dark matter — galaxies: halos — galaxies: structure

研究の動機と目的

• ΛCDMモデルが全光度、質量、速度分布といった基本的な銀河統計を同時に再現できるかどうかを検証すること。
• さまざまな形態の銀河に対して、宇宙論的モデルと観測された銀河特性を統合する長年の課題に取り組むこと。
• 最新の観測データと高解像度のダークマター・シミュレーションを用いて、ΛCDMフレームワークの性能を評価すること。
• 低円運動速度領域における予測された銀河の数と観測値との間の不一致の原因を調査すること。
• 断熱収縮が全光度-速度関係の予測を改善する役割を果たすかどうかを評価すること。

提案手法

• 大規模な宇宙論的体積において、画期的な質量分解能と力の分解能を持つ高解像度のボルショイΛCDMダークマター・シミュレーションを用いる。
• 観測された全光度関数と整合性を持つように、ランク順に並べたハローの性質に基づいて、ダークマター・ハローに銀河全光度をマッチングするアバンドランスマッチングを適用する。
• バリオン物質の降着に伴うダークマター・ハローの断熱収縮を物理的補正として組み込み、予測の精度を向上させる。
• 矮星銀河から巨大楕円銀河に至るまでの観測データと、予測された全光度-速度関係およびバリオン質量-速度関係を比較する。
• 予測された円運動速度関数を作成し、HIPASSおよびSDSS調査からの実測データと比較する。
• 同じ宇宙論的モデル内で、複数の銀河統計にわたる予測を一貫した枠組みで評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ΛCDMモデルは、全銀河タイプにわたって観測された全光度-速度関係を同時に再現できるか？
• RQ2 特に高いおよび低い円運動速度領域において、モデルがバリオン質量-速度関係をどの程度うまく予測できるか？
• RQ3 断熱収縮を組み込むことで、観測との一致度がどの程度向上するか？
• RQ4 なぜ低円運動速度のダークマター・ハローの数が観測された銀河の数と一致しないのか？
• RQ5 予測された速度関数は、HIPASS や SDSS といった大規模調査からの実測値と一致するか？

主な発見

• ボルショイシミュレーションとアバンドランスマッチングを用いたΛCDMモデルは、円運動速度が約50から約500 km s⁻¹の銀河について、全光度-速度関係をうまく予測している。
• 予測された全光度-速度関係は、Mr = −14からMr = −22のマグニチュード範囲において、早期銀河および後期銀河の両方と良好に一致している。
• モデルが予測するバリオン質量-速度関係は、観測とある程度一致しているが、最も高い円運動速度領域ではやや不一致の可能性がある。
• 予測された円運動速度関数は、HIPASSおよびSDSSによる測定結果と、80から400 km s⁻¹の範囲で良好に一致している。
• Vcirc ≈ 50 km s⁻¹未満では、依然として顕著な不一致が残っており、ダークマター・ハローの数が観測された銀河の数よりもはるかに多い。
• 断熱収縮を組み込むことで、全光度-速度関係のモデルと観測との整合性が改善されたが、それなしでも全体的な一致度は既に良好である。