[論文レビュー] Properties of Cold Dark Matter Halos at z>6

Renyue Cen, Fengqiu Adam Dong+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、標準的なLCDMモデルにおける赤方偏移$z=6-11$の範囲で、質量$10^{6.5}-10^9\,M_\odot$のコールド・ダーク・マター（CDM）ハローを高解像度N体シミュレーションで分析した。ハローのバイアスは顕著で$b \sim 2-6$であり、質量関数の勾配は$2.05 \pm 0.15$、質量および赤方偏移に依存する中心密度プロファイルは$\alpha_0 = 0.75((1+z)/7.0)^{-1.25}(M/10^7\,M_\odot)^{0.11(1+z)/7.0}$で与えられ、中央部の平均スピンパラメータは$0.03-0.04$、特異速度は$30-40$ km/sを超えることが判明した。

ABSTRACT

We compute the properties of dark matter halos with mass $10^{6.5}-10^9\msun$ at redshift $z=6-11$ in the standard cold dark matter cosmological model, utilizing a very high resolution N-body simulation. We find that dark matter halos in these mass and redshift ranges are significantly biased over matter with a bias factor in the range 2-6. The dark matter halo mass function displays a slope of $2.05\pm 0.15$ at the small mass end. We do not find a universal dark matter density profile. Instead, we find a significant dependence of the central density profile of dark matter halos on halo mass and epoch with $α_0=0.4-1.0$; the high-mass ($M\ge 10^8\msun$) low-redshift ($z\sim 6$) halos occupy the high end of the range and low-mass ($M\sim 10^{7}\msun$) high-redshift ($z\sim 11$) halos occupy the low end. Additionally, for fixed mass and epoch there is a significant dispersion in $α_0$ due to the stochastic assembly of halos. Our results fit a relationship of the form $α_0=0.75((1+z)/7.0)^{-1.25}(M/10^7\msun)^{0.11(1+z)/7.0}$ with a dispersion about this fit of $\pm 0.5$ and no systematic dependence of variance correlated with environment. The median spin parameter of dark matter halos is $0.03-0.04$ but with a large lognormal dispersion of $\sim 0.4$. Various quantities are tabulated or fitted with empirical formulae.

研究の動機と目的

• 標準的なLCDM宇宙論における高赤方偏移（$z > 6$）におけるコールド・ダーク・マター（CDM）ハローの性質を調査すること。観測的制約は、クェザー吸収分光およびCMBデータから得られている。
• 質量$10^{6.5}-10^9\,M_\odot$のハローについて、$z=6-11$の範囲で質量関数、バイアス、密度プロファイル、スピンパラメータ、角運動量、および特異速度を定量的に評価すること。
• 高赤方偏移において、普遍的な密度プロファイルまたはスピンパラメータが存在するか、それとも質量および時刻に依存するかを特定すること。
• 理論的モデリングによる初期銀河形成および再電離プロセスの支援のため、主要なハロー特性に対する経験的フィットと統計的分布を提供すること。

提案手法

• $512^3$粒子を用いた高解像度のTree-Particle-Mesh（TPM）N体シミュレーション。計算ボリュームは$4\,h^{-1}$ Mpc、粒子質量は$3.57 \times 10^4\,h^{-1}\,M_\odot$、ソフトニング長は$0.14\,h^{-1}$ kpc。
• ハローは、$300\,h^{-1}$ kpcのガウス平滑化を施したDENMAXスキームを用いて同定した。
• ハローの質量関数、バイアス、クラスタリングは、ハロー分布と基盤となる物質場の比較により計算された。
• 密度プロファイルは、$\rho \propto r^{-\alpha_0}$というべき乗則形式でフィットされ、$\alpha_0$は中心領域で測定され、質量および赤方偏移の関数としてフィットされた。
• スピンパラメータおよび角運動量プロファイルは、$\lambda = J M^{3/2} / \sqrt{G |E|}$を用いて計算され、修正された対数正規分布関数でフィットされた。
• 特異速度は、ハローの塊体運動として計算され、最小速度オフセット$\epsilon$を含む対数正規分布モデルでフィットされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移（$z > 6$）におけるダークマター・ハローのバイアスは、基盤となる物質場に対してどの程度顕著か？
• RQ2 $z=6-11$の赤方偏移範囲における低質量領域のダークマター・ハロー質量関数の勾配は何か？
• RQ3 高赤方偏移において普遍的なダークマター密度プロファイルが存在するか、それともハロー質量および赤方偏移に依存するか？
• RQ4 高赤方偏移におけるハローのスピンパラメータおよび角運動量プロファイルは、質量および時刻にどのように依存するか？
• RQ5 $z=6$におけるダークマター・ハローの典型的な特異速度は何か？また、シミュレーション解像度および大スケールモードの欠落にどのように依存するか？

主な発見

• $z=6-11$におけるダークマター・ハローは、物質分布に対して顕著なバイアスを示し、バイアス因子は$2-6$の範囲にある。
• ハロー質量関数の低質量領域における勾配は$2.05 \pm 0.15$であり、低質量領域への数密度の急激な増加を示唆している。
• 中心密度プロファイルの勾配$\alpha_0$は、ハロー質量および赤方偏移に応じて$0.4$から$1.0$の間で変動し、$\alpha_0 = 0.75((1+z)/7.0)^{-1.25}(M/10^7\,M_\odot)^{0.11(1+z)/7.0}$という経験的関係式でよくフィットされる。分散は$\pm 0.5$である。
• ハローの中央部の平均スピンパラメータは$0.03-0.04$であるが、$\sim 0.4$の大きな対数正規分散を示しており、角運動量の蓄積に強い確率的性質があることが示唆される。
• 特定の角運動量より小さい角運動量を持つ質量の割合は、その値と平均の特定角運動量の比の約0.5倍に等しい。
• ハローの特異速度は$30-40$ km/sを超えており、シミュレーションにおける下限は$38 \pm 2$ km/sであった。これは、大スケールモードの欠落が真の値を上回る可能性を示唆している。