[論文レビュー] Structure formation in warm dark matter cosmologies: Top-Bottom Upside-Down

Sinziana Paduroiu, Yves Revaz+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、N体シミュレーションを用いて、温い暗黒物質（WDM）宇宙論が、高密度領域におけるトップダウン的崩壊とボトムアップ的クラスタリングを併せ持つハイブリッドな構造形成プロセスを示している。各メカニズムの優位性は、粒子のエネルギーと局所的な形状に依存する。主な発見は、WDM粒子の熱的速度が小スケール構造形成を抑制し、ハローに観測可能なシェルや共鳴面を生じさせることであり、これにより従来のシミュレーションにおける速度サンプリングに関する仮定が疑問視され、過去の研究に一貫性の欠如が明らかになった。

ABSTRACT

The damping on the fluctuation spectrum and the presence of thermal velocities as properties of warm dark matter particles like sterile neutrinos imprint a distinct signature found from the structure formation mechanisms to the internal structures of halos. Using warm dark matter simulations we explore these effects on the structure formation for different particle energies and we find that the formation of structure is more complex than originally assumed, a combination of top-down collapse and hierarchical (bottom-up) clustering on multiple scales. The degree on which one scenario is more prominent with respect to the other depends globally on the energy of the particle and locally on the morphology and architecture of the analyzed region. The presence of shells and caustics in warm dark matter halos is another important effect seen in simulations. Furthermore, we discuss the impact of thermal velocities on the structure formation from theoretical considerations as well as from the analysis of the simulations. We re-examine the assumptions considered when estimating the velocity dispersion for warm dark matter particles that have been adopted in previous works for more than a decade and we give an independent estimation for the velocities. We identify some inconsistencies in previous published results. The relation between the warm dark matter particle mass and its corresponding velocity dispersion is strongly model dependent, hence the constraints on particle mass from simulation results are weak. Finally, we review the technical difficulties that arise in warm dark matter simulations along with possible improvements of the methods.

研究の動機と目的

• 温い暗黒物質（WDM）粒子の熱的速度が大スケールおよび小スケール構造形成に与える影響を調査すること。
• 過去のWDMシミュレーションで用いられた速度分散に関する仮定を再評価すること。これにより、曖昧な結果が生じていた。
• 位相空間密度と自由流れの役割が、特にシェルや共鳴面を含むハローの形状に与える影響を検討すること。
• 現在のN体シミュレーション技術がWDMをモデル化する上で抱える限界を評価し、手法上の改善を提案すること。
• WDMの構造形成が、CDMモデルにおける欠落した衛星問題およびコア-カスプ問題を解決する可能性を検討すること。

提案手法

• WDM粒子の速度分散の広い範囲をカバーする高解像度のN体シミュレーションを実施し、構造形成ダイナミクスを研究すること。
• WDM粒子のフェルミ・ディラック位相空間分布を正確にモデル化するために、シミュレーション粒子に物理的熱的速度を導入すること。
• 初期条件をWDMの自由流れカットオフと整合させるために、Zel’dovich近似と初期パワースペクトルの減衰を用いること。
• フォローアップ（friends-of-friends）法と位相空間ベースの手法を併用してハロー形成を分析し、トップダウン的崩壊およびシェル構造を検出すること。
• シミュレーション結果を、フェルミ粒子的WDMにおける位相空間密度保存と量子的圧力効果の理論的期待値と比較すること。
• 粒子質量と速度分散が、特に低密度領域におけるハローの形状と準位構造の豊度に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温い暗黒物質宇宙論において、トップダウン的崩壊がどの程度構造形成を支配しており、それは粒子の速度分散にどのように依存するか？
• RQ2 WDM粒子の熱的速度は、特にシェルや共鳴面構造を含むハロー形成にどのように影響を与えるか？
• RQ3 初期パワースペクトルカットオフを保持したまま、物理的熱的速度のサンプリングを無視した過去のWDMシミュレーションに、どのような矛盾が存在するか？
• RQ4 フィラメントの形状と局所密度が、WDMにおけるトップダウン的およびボトムアップ的構造形成のバランスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 WDMシミュレーションで観察される小スケール準位構造の抑制は、CDMモデルにおける欠落した衛星問題の有効な解決策となり得るか？

主な発見

• 温い暗黒物質シミュレーションでは、フィラメントの交差部などの高密度領域においてトップダウン的崩壊が支配的であり、低密度領域ではボトムアップ的クラスタリングが優勢であるハイブリッドな構造形成メカニズムが明らかになった。
• 特に大規模な合体を経験していないハローは、熱的速度がもたらす位相空間構造のおかげで、明確なシェルや共鳴面を示している。
• 粒子の速度分散が高くなるほどトップダウン的支配が強まり、崩壊が遅れ、小スケール準位構造の形成が減少する。
• 非常に低速の粒子（v < 0.05 km/s）に対しても、初期段階でのトップダウン的形成傾向はシミュレーションで検出可能であるが、冷たいモデルではその後の合体によってその傾向が隠蔽されている。
• 初期パワースペクトルカットオフは保持したが、物理的熱的速度のサンプリングを無視した過去の研究は、一貫性がなく、誤解を招く可能性があることが示された。
• WDMにおける質量-速度分散関係は非常にモデル依存的であり、普遍的な粒子生成モデルがない限り、シミュレーション結果だけから粒子質量に対する制約を強く弱める。