[論文レビュー] The Halo Model of Large Scale Structure for Warm Dark Matter

Robyn M. Dunstan, Kevork N. Abazajian+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2011

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 20

ひとこと要約

本稿は、暖かく暗黒物質（WDM）宇宙論における包括的なホールモディルを構築し、線形パワー スペクトル、ホール質量関数、濃度-質量関係、ホールおよび準ホール密度プロファイル、スムーズ成分のバイアス化に修正を加えた。WDMは非線形物質パワー スペクトルにおける小スケールパワーの顕著な抑制を引き起こすことが判明した。主な寄与は、特に濃度および密度プロファイルが変化した主ホールの性質に起因しており、準構造やスムーズ成分の効果は、10 keV WDM粒子に対しても二次的である。

ABSTRACT

We present a comprehensive analysis of the halo model of cosmological large to small-scale structure statistics in the case of warm dark matter (WDM) structure formation scenarios. We include the effects of WDM on the linear matter power spectrum, halo density profile, halo concentration relation, halo mass function, subhalo density profile, subhalo mass function and biasing of the smooth dark matter component. As expected, we find large differences at the smallest physical scales in the nonlinear matter power spectrum predicted in the halo model between WDM and cold dark matter even for reasonably high-scale WDM particle masses. We find that significant effects are contributed from the alteration of the halo density profile and concentration, as well as the halo mass function. We further find that the effects of WDM on the subhalo population are important but sub-dominant. Clustering effects of the biasing of the smooth component in WDM is not largely significant.

研究の動機と目的

• 暖かく暗黒物質（WDM）のシナリオにおける大規模構造クラスタリングの完全な解析的ホールモデルを構築すること。
• WDMが線形パワー スペクトル、ホール質量関数、濃度-質量関係、ホールおよび準ホール密度プロファイル、スムーズ成分バイアス化といった主要な統計的要素に与える影響を定量化すること。
• WDMに起因する各修正が非線形物質パワー スペクトルに与える相対的寄与を評価すること。
• 従来の弱レントゲン予測モデルを改善し、以前は無視されていた準構造統計および非コア型ホールプロファイルを含めること。
• 弱レントゲンおよび銀河クラスタリングなどの宇宙論的観測におけるWDM効果を予測するための自己完結的フレームワークを提供すること。

提案手法

• ホール質量関数、ホール密度プロファイル、および準ホール質量関数に関して、WDM構造形成の新しい数値シミュレーションの結果を統合する。
• 自由放出による抑制を反映させるために、線形物質伝達関数を修正することで、標準ホールモデルフレームワークをWDMに適応する。
• 重力ポテンシャルの進化およびホール形成時刻へのWDMの影響に基づき、ホール濃度-質量関係を調整する。
• WDMシミュレーション結果と整合する非コア型、NFWに類似したプロファイルを用いて、ホール密度プロファイルをモデル化し、人工的にコア型のプロファイルを避ける。
• WDMにおける抑制を反映させた修正された準ホール質量関数および密度プロファイルを用いて、準ホール集団効果を含める。
• ホールモデル形式を用いて、すべての要素を統合し、非線形物質パワー スペクトルの予測をWDMとCDMとで比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WDMに起因する線形パワー スペクトル、ホール質量関数、濃度-質量関係の修正が、非線形物質パワー スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ホール密度プロファイルおよび準ホール統計の変化が、CDMと比較してWDMにおける小スケールパワーの全体的な抑制にどの程度寄与するか？
• RQ3 スムーズな暗黒物質成分のバイアス化効果が、WDMモデルにおける非線形クラスタリングにどのように影響するか？
• RQ4 非線形物質パワー スペクトルの形状を規定する要因として、主ホールの性質と準構造およびスムーズ成分効果の相対的重みは何か？
• RQ5 準構造統計を無視した、あるいはコア型プロファイルを仮定した従来の予測と比較して、本研究の結果は定量的にどのように異なるか？

主な発見

• 10 keVという比較的高いWDM粒子質量に対しても、WDMにおける非線形物質パワー スペクトルは、小スケール（k ≈ 10 h Mpc⁻¹）でCDMと比べて顕著に抑制されている。
• パワー抑制の主な寄与は、主ホールの性質の変化に起因しており、特に緩やかなホール密度プロファイルおよび低くなった濃度がその中心的役割を果たしている。準構造やスムーズ成分の効果は、この主な寄与に比べて二次的である。
• 準ホール質量関数の抑制は顕著に寄与するが、特にk ≈ 10 h Mpc⁻¹においても主ホールの効果に比べて二次的である。
• WDMにおけるホール形成の不完全性に起因するスムーズな暗黒物質成分の追加は、全体のパワー スペクトルにほとんど影響しない。バイアス効果も無視できる。
• ホールプロファイルの緩みと濃度の低下により、中間スケール（k ~ 10–100 h Mpc⁻¹）でパワーの逆説的な増幅が生じるが、これは依然として小さいk領域での全体的な抑制に打ち勝たない。
• WDMシミュレーションおよびガウスピーク理論に整合する非コア型ホールプロファイルの組み込みにより、従来のコア型プロファイルを仮定した研究とは異なり、より正確な予測が得られた。