[論文レビュー] The Infuence of Omega_baryon on High-Redshift Structure

Jeffrey P. Gardner, Neal Katz+2 more|Digital Access to Scholarship at Harvard (DASH) (Harvard University)|Jul 16, 2001

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高赤方偏移における構造形成に及ぼすバリオン密度パラメータ $\Omega_{\rm baryon}$ の変動の影響を分離するために流体力学的シミュレーションを用いる。高い $\Omega_{\rm baryon}$ ではガス冷却が強化され、銀河内の凝縮ガスおよび星の質量、星形成率、および高密度吸収（DLA、リューマン限界）が増加するが、紫外線背景を観測された透過率に合わせて調整した場合、リューマンアルファフォレストは $\Omega_{\rm baryon}$ に対して感度を示さない。

ABSTRACT

We analyze high-redshift structure in three hydrodynamic simulations that have identical initial conditions and cosmological parameters and differ only in the value of the baryon density parameter, Omega_b=0.02, 0.05, 0.125. Increasing Omega_b does not change the fraction of baryons in the diffuse (unshocked) phase of the intergalactic medium, but it increases cooling rates and therefore transfers some baryons from the shocked intergalactic phase to the condensed phase associated with galaxies. Predictions of Lyman-alpha forest absorption are almost unaffected by changes of Omega_b provided that the UV background intensity is adjusted so that the mean opacity of the forest matches the observed value. The required UV background intensity scales as Omega_b^1.7, and the higher photoionization rate increases the gas temperature in low density regions. Damped Lyman-alpha absorption and Lyman limit absorption both increase with increasing Omega_b, though the impact is stronger for damped absorption and is weaker at z=4 than at z=2-3. The mass of cold gas and stars in high-redshift galaxies increases faster than Omega_b but slower than Omega_b^2, and the global star formation rate scales approximately as Omega_b^1.5. In the higher Omega_b models, the fraction of baryonic material within the virial radius of dark matter halos is usually higher than the universal fraction, indicating that gas dynamics and cooling can lead to over-representation of baryons in virialized systems. On the whole, our results imply a fairly intuitive picture of the influence of Omega_b on high-redshift structure, and we provide scalings that can be used to estimate the impact of Omega_b uncertainties on the predictions of hydrodynamic simulations.

研究の動機と目的

• 同一の宇宙論的シミュレーションにおいて唯一 $\Omega_{\rm baryon}$ のみを変化させることで、高赤方偏移宇宙構造形成に及ぼす影響を分離すること。
• 変化する $\Omega_{\rm baryon}$ が、媒体の段階構造（希薄、衝撃、凝縮）に与える影響を定量化すること。
• 観測可能な診断指標（リューマンアルファフォレスト、ダムプド・リューマンアルファ吸収、リューマン限界系、星形成率）が $\Omega_{\rm baryon}$ の変化にどれほど感応するかを評価すること。
• $\Omega_{\rm baryon}$ の不確実性に起因する流体力学的シミュレーションの不確実性を推定するため、主要な天体物理学的量の $\Omega_{\rm baryon}$ 依存性を示すスケーリング則を導出すること。
• $\Omega_{\rm baryon}$ が変化しても、紫外線背景を観測された平均透過率に合わせて調整すれば、リューマンアルファフォレストが宇宙論的探査に耐えうるかを評価すること。

提案手法

• 初期条件と宇宙論的パラメータが同一で、唯一 $\Omega_{\rm baryon}$ のみが異なる3つの流体力学的シミュレーションを実行：0.02、0.05、0.125。
• 標準的なコールド・ダーク・マターモデルを用い、$\Omega_m = 1$、$h = 0.5$、$\sigma_8 = 0.7$、$64^3$ のガスおよびダークマター粒子を有する11.11 $h^{-1}$ Mpc の周期的ボックス。
• 重力のソフトニング長を5 $h^{-1}$ コマチック・kpcに設定し、放射冷却、紫外線背景による加熱、星形成とフィードバックを含める。
• ガスの密度と温度に基づき、媒体を希薄（衝撃を受けていない）、衝撃を受けて高温のIGM、銀河関連の凝縮ガスに分類することで、宇宙間媒体の段階構造を分析。
• シミュレーションからリューマンアルファフォレスト、ダムプド・リューマンアルファ、リューマン限界吸収スペクトルを合成し、$\Omega_{\rm baryon}$ の値ごとに比較。
• 観測された平均リューマンアルファフォレスト透過率に合わせて、シミュレーション間で紫外線背景の強度を調整し、吸収特徴の公平な比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移における宇宙間媒体のバリオンの段階分布に、$\Omega_{\rm baryon}$ の増加がどのように影響するか？
• RQ2 紫外線背景を観測された平均透過率に合わせて調整した場合、$\Omega_{\rm baryon}$ の変化に対するリューマンアルファフォレストの予測感度はいかほどか？
• RQ3 $\Omega_{\rm baryon}$ は高赤方偏移銀河内の寒冷ガスおよび星の質量にどのように影響し、これらの質量が $\Omega_{\rm baryon}$ に対してどのようないずみに従うか？
• RQ4 $\Omega_{\rm baryon}$ はダムプド・リューマンアルファおよびリューマン限界吸収系の出現頻度にどのように影響し、赤方偏移に依存してその依存性が変化するか？
• RQ5 高い $\Omega_{\rm baryon}$ モデルにおいて、ダークマターハロー内のバリオンの割合が宇宙の普遍的割合を上回る程度はどの程度か？

主な発見

• 宇宙間媒体の希薄（衝撃を受けていない）段階に存在するバリオンの割合は、$\Omega_{\rm baryon}$ の変化に対してほとんど影響を受けない。
• 高い $\Omega_{\rm baryon}$ では冷却レートが増加し、衝撃を受けて高温のIGM段階のガスが銀河関連の凝縮段階にシフトする。
• 観測された平均リューマンアルファフォレスト透過率に合わせるための必要となる紫外線背景強度は、$\Omega_{\rm baryon}^{1.7}$ のように近似的にスケーリングされ、高い光子イオン化レートにより低密度領域のガス温度が上昇する。
• ダムプド・リューマンアルファ吸収はリューマン限界吸収よりも $\Omega_{\rm baryon}$ に対して強く増加し、$z=2-3$ では $z=4$ よりも依存性が強い。
• 高赤方偏移銀河内の寒冷ガスおよび星の質量は、$\Omega_{\rm baryon}$ に対して超線形的に増加し、べき乗則の指数は1から2の間であり、全星形成率は $\Omega_{\rm baryon}^{1.5}$ のように近似的にスケーリングされる。
• 高い $\Omega_{\rm baryon}$ モデルでは、ダークマターハローのバリアル半径内に存在するバリオンの割合が、宇宙の普遍的割合を上回り、冷却およびガス力学的要因により、準拠系においてバリオンが過剰に代表されていることが示唆される。