[論文レビュー] Statistics of Dark Matter Substructure: I. Model and Universal Fitting Functions

Fangzhou Jiang, Frank C. van den Bosch|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、合体ツリーと軌道平均質量損失率を用いた高速で準解釈的なモデルを提示し、シミュレーションから得られる準拠の質量関数と速度関数を正確に再現する。このモデルは、ホストハローの動的年齢と普遍的係数による最大円運動速度のスケーリングを用いて、すべてのホストハロー質量、赤方偏移、ΛCDM宇宙論にわたって有効な、進化済みおよび未進化の準拠の質量関数と速度関数の普遍的フィッティング関数を導出する。

ABSTRACT

We present a new, semi-analytical model describing the evolution of dark matter subhaloes. The model uses merger trees constructed using the method of Parkinson et al. (2008) to describe the masses and redshifts of subhaloes at accretion, which are subsequently evolved using a simple model for the orbit-averaged mass loss rates. The model is extremely fast, treats subhaloes of all orders, accounts for scatter in orbital properties and halo concentrations, and uses a simple recipe to convert subhalo mass to maximum circular velocity. The model accurately reproduces the average subhalo mass and velocity functions in numerical simulations. The inferred subhalo mass loss rates imply that an average dark matter subhalo loses in excess of 80 percent of its infall mass during its first radial orbit within the host halo. We demonstrate that the total mass fraction in subhaloes is tightly correlated with the `dynamical age' of the host halo, defined as the number of halo dynamical times that have elapsed since its formation. Using this relation, we present universal fitting functions for the evolved and unevolved subhalo mass and velocity functions that are valid for any host halo mass, at any redshift, and for any ΛCDM cosmology.

研究の動機と目的

• 完全なN体シミュレーションを用いずに主要な物理的プロセスを捉える高速な準解釈的モデルを構築すること。
• 準拠の質量関数と速度関数がホストハロー質量、赤方偏移、宇宙論にどのように依存するかを定量化すること。
• 進化済みおよび未進化の準拠の質量関数と速度関数のための普遍的フィッティング関数を導出すること。
• 進化済み準拠質量関数の正規化がホストハローの動的年齢と強く相関することを示すこと。
• 準拠の最大円運動速度のスケーリングに基づく単純なスケーリングにより、未進化準拠速度関数をさまざまなホストハローと宇宙論にわたって普遍化できることを示すこと。

提案手法

• Parkinsonら (2008) の合体ツリーを用いて、準拠の吸着質量と赤方偏移を追跡する。
• 軌道平均質量損失率を用いて、軌道的進化中の潮汐的剥がしと質量損失をモデル化する。
• すべての順序の準拠を扱い、軌道的性質とハロー濃度の散らばりを考慮する。
• 単純な質量から最大円運動速度への変換を用いて速度関数を導出する。
• ホストハローの動的年齢を、形成時（質量がM₀/2に達するz_{1/2}のとき）からの動的時間の数として定義する。
• 正規化と動的年齢の相関関係を用い、速度関数に普遍的係数を適用することで、普遍的フィッティング関数を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 進化済み準拠質量関数の正規化は、ホストハロー質量、赤方偏移、宇宙論にどのように依存するか？
• RQ2 すべてのホストハロー質量と宇宙論にわたって、進化済み準拠質量関数を普遍的な関数形で記述できるか？
• RQ3 ホストハローの動的年齢が、合計準拠質量分率を決定づける役割を果たすか？
• RQ4 未進化準拠速度関数を、さまざまなホストハローと宇宙論にわたって普遍化するにはどうすればよいか？
• RQ5 異なる準拠発見アルゴリズムが、質量の大きな準拠の測定された頻度にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 平均して、準拠はホストハロー内での最初の径方向軌道を通過する間に、降着時の質量の80％以上を失う。これは強い潮汐的剥がしを示している。
• 進化済み準拠質量関数は、形状が普遍的（固定されたべき乗法的勾配）であるが、正規化はホストハローの動的年齢に依存する。
• すべての準拠の順序に対して、進化済み準拠質量関数のべき乗法的勾配はα = -2.6であり、シミュレーションで以前に報告された値よりも著しく浅い。
• 未進化準拠質量関数は形状がほぼ普遍的であり、パラメータがホスト質量、赤方偏移、宇宙論に依存しない。
• 未進化準拠速度関数は、要因a ∝ V_vir(M₀/40,z₀)/V_max(M₀/40,z₀.₂₅) によるスケーリングを施すことで、普遍的になる。この要因は濃度-質量-赤方偏移の傾向を補正する。
• 位相空間密度のみに依存する準拠発見アルゴリズムは、質量の大きな準拠の頻度を1桁以上も著しく低く見積もる。