[論文レビュー] Reconciling extremely different concentration-mass relations

M. Meneghetti, Elena Rasia|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、Prada et al. (2012) と Duffy et al. (2008) の間で大きな乖離を示す濃度-質量（c-M）関係の原因を解明し、ホール選択（最大円運動速度によるもの vs. 質量によるもの）と濃度測定法（速度比 vs. NFWプロファイル適合）の違いが主な要因であることを示している。著者らは、一貫した半径スケールと選択基準を適用すれば、両関係が一致することを示しており、手法的差異が約40%の振幅不一致と、P12関係の高質量域における上昇を約20%の要因として説明している。

ABSTRACT

The concentration-mass relations proposed by Prada et al. (2012) and by Duffy et al. (2008) on the scales of galaxy clusters show some of the largest discrepancies among all the works present in literature. This is surprising because they are both derived from the analysis of dark-matter halos forming in LCDM simulations with similar set-ups. With the help of analytic models and numerical simulations we investigate the origin of this discrepancy focusing on the procedures used to derive the concentrations (circular velocity ratios versus density profile fitting) and on the selection criteria used to bin the halos (binning in maximum circular velocity versus binning in mass). We find that both steps of the analysis have a large impact on the resulting c-M relation. In particular, we show that the two c-M relations can be entirely reconciled, if we account for these methodological differences. Our analysis demonstrates that the concentration estimates are sensitive to the largely different radial scales probed by a particular measurement method. This implies that concentrations derived with different techniques (both in observations and in simulations) must be compared over the same radial range.

研究の動機と目的

• Prada et al. (2012) と Duffy et al. (2008) が提示した濃度-質量（c-M）関係の間にある大きな乖離（振幅差が約40–60%で、高質量域での形状の相違を伴う）を解消すること。
• 観察された差異が、宇宙論的要因やシミュレーション設定の違いではなく、手法的選択によるものかどうかを調査すること。
• 最大円運動速度（Vmax）によるバインディングと質量（M200）によるバインディングの両方を用いたホール選択基準が、導出されるc-M関係に与える影響を評価すること。
• 円運動速度比（Vmax/V200）とNFWプロファイル適合の両方の濃度測定法が、結果として得られるc-M関係にどのように影響を与えるかを評価すること。
• 一貫した半径範囲と選択方法を用いることで、P12とD08のc-M関係が完全に一致することを確立し、観測比較への影響を示すこと。

提案手法

• 解析モデルと高解像度N体シミュレーション（Multidark）を用い、ホール選択と濃度測定法の影響を分離した。
• 2種類の濃度測定法を比較した：(1) 円運動速度プロファイルから得られるVmax/V200比（P12手法）、(2) 異なる半径範囲での密度プロファイルへのNFWプロファイル適合。
• NFW適合手順を、V比法と一致する範囲（Rmax ≤ R ≤ R200）と、D08が使用したより小さい範囲（Rvirの5%まで）に適用した。
• 濃度分布の散らばり具合とc-M関係への影響を定量化し、Vmaxによる選択が質量ベースの選択に比べて濃度推定値を高めることを示した。
• NFW適合の良さを評価するためのχ²統計量を計算し、ホール質量と濃度推定値ととの相関を分析した。
• P12とD08の両手法で同一の選択条件と測定条件を適用してc-M関係を再構築し、一貫性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Prada et al. (2012) と Duffy et al. (2008) のc-M関係が、同様のΛCDMシミュレーションを用いても、なぜ振幅差が約40–60%で、形状の相違を示すのか？
• RQ2 最大円運動速度（Vmax）によるホール選択と質量（M200）による選択の違いが、導出されるc-M関係にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 NFWプロファイル適合に用いる半径範囲が、濃度推定値にどのように影響を与えるか。また、Vmax/V200法と比較してどうなるか？
• RQ4 なぜP12のc-M関係は高質量域で上昇するのに対し、D08の関係はそうではないのか？
• RQ5 観察された乖離は、手法的差異によって完全に説明可能か。それとも、背後に宇宙論的要因や数値的要因があるのか？

主な発見

• P12とD08のc-M関係の振幅差（約40–60%）の主な原因はホール選択に起因する。Vmaxによる選択は、特に高質量域で濃度推定値を約15–20%高め、質量による選択よりも高くなる。
• P12のc-M関係が高質量域で上昇する現象は、Vmaxベースの選択と、巨大ホールではNFW適合が悪い（χ²が高くなる）という事実の組み合わせによって部分的に説明できる。これは、V比法を用いることで系統的に高い濃度が推定されるためである。
• Vmax/V200法とNFWプロファイル適合の両方が、NFW適合をRmax ≤ R ≤ R200の範囲で行う場合にのみ、一致した濃度推定値をもたらす。
• 特に巨大ホールでは、D08の分析で用いられた全範囲（Rvirの5%まで）でNFWプロファイルは悪い適合となることが多く、この場合、プロファイル適合法では濃度が低く推定される。
• NFW適合のχ²はホール質量と正の相関を示しており、これは巨大ホールがNFWモデルにうまく適合しないことを示しており、プロファイル適合法を用いることで乖離がさらに拡大する。
• ホール選択と濃度測定法の両方を一致させた場合、P12とD08のc-M関係は完全に一致する。この場合、手法的差異が振幅差の約40%、P12関係の上昇の約20%を説明している。