[論文レビュー] The Mass-To-Light Function: Antibias and Omega_m

Neta A. Bahcall, Renyue Cen+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 54

ひとこと要約

この論文は、銀河からスーパークラスタまで広がる宇宙規模の質量対光度比（M/L）を、大規模な宇宙論的シミュレーションを用いてモデル化し、高密度領域ではM/Lの反バイアス（質量が青光よりもより集中している）が見られることを明らかにした。これは、古くからの星形成集団によるものである。最良の適合 cosmological 質量密度は Ω = 0.16 ± 0.05 であり、以前のクラスタのみの推定値よりも低く、この以前に考慮されなかった反バイアスが原因である。

ABSTRACT

We use large-scale cosmological simulations to estimate the mass-to-light ratio of galaxy systems as a function of scale, and compare the results with observations of galaxies, groups, clusters, and superclusters of galaxies. We find remarkably good agreement between observations and simulations. Specifically, we find that the simulated mass-to-light ratio increases with scale on small scales and flattens to a constant value on large scales, as suggested by observations. We find that while mass typically follows light on large scales, high overdensity regions --- such as rich clusters and superclusters of galaxies --- exhibit higher M/L_B values than average, while low density regions exhibit lower M/L_B values; high density regions are thus antibiased in M/L_B, with mass more strongly concentrated than blue light. This is true despite the fact that the galaxy mass density is unbiased or positively biased relative to the total mass density in these regions. The M/L_B antibias is likely due to the relatively old age of the high density regions, where light has declined significantly since their early formation time, especially in the blue band which traces recent star formation. Comparing the simulated results with observations, we place a powerful constraint on the mass density of the universe; using, for the first time, the entire observed mass-to-light function, from galaxies to superclusters, we find Omega =0.16+/-0.05.

研究の動機と目的

• クラスタが普遍的な質量対光度比を公平に代表しているかどうかを評価し、クラスタのサンプリングに偏りがないという仮定に疑問を呈すること。
• 特にM/L関数におけるバイアスまたは反バイアスの存在とその意味を含め、異なるスケールでの質量が光をどのように追跡するかを調査すること。
• クラスタデータに依存せず、銀河からスーパクラスタまでをカバーする観測されたM/L関数を用いて、宇宙論的質量密度 Ω を決定すること。
• 特に高密度環境における星形成集団の年齢が、M/L比のスケール依存性に果たす役割を含め、M/L比の物理的起源を調査すること。
• シミュレーションされたM/L関数と多スケール観測データを比較することで、モデルに依存しない、強固なΩの制約を提供すること。

提案手法

• ダークマター、ガス、星形成成分を含む高解像度の流体力学的宇宙論的シミュレーションを実施し、スケールにわたる銀河形成と進化をモデル化すること。
• 球対称な開口部内の全質量と全青光度を用いて、20 kpc から 60 h⁻¹ Mpc のスケールRにおける質量対光度比（M/L_B）を計算すること。
• Bahcall, Lubin & Dorman (1995) および CNOC サーベイのデータを用いて、銀河、グループ、クラスタ、スーパクラスタからの観測データと、シミュレーションされたM/L(R)関数を比較すること。
• 局所的な質量過密度Δρ/ρに依存するM/L_Bの依存性を分析し、高密度および低密度領域を区別してバイアス／反バイアスを評価すること。
• 色のカット（古星形成集団：B-V > 0.65、若年星形成集団：B-V < 0.65）を用いて、シミュレーション内で古星形成集団（楕円銀河）と若年星形成集団（渦巻銀河）を分離し、それらのM/L_B挙動を比較すること。
• シミュレーションされたM/L(R)関数を観測された全M/L関数に適合させ、Ωを制約する。仮定を最小限に抑え、スケール依存の反バイアスを考慮すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系の質量対光度比（M/L_B）はスケールに応じて系的に変化するか？ その変化は観測データと一致するか？
• RQ2 豊富なクラスタや高密度領域は、宇宙平均に対してM/L_Bでバイアスまたは反バイアスを示すか？ その原因は何か？
• RQ3 高密度領域における星形成集団の年齢は、特に青帯域において観測されたM/L_B比にどのように影響するか？
• RQ4 銀河からスーパクラスタまでをカバーする観測された全M/L関数を用いて、モデルに依存しない、強固な宇宙論的質量密度Ωの制約を導けるか？
• RQ5 M/Lに基づくΩ推定値において、クラスタが公平に代表されると仮定することが、Ωの過大評価にどの程度寄与しているか？

主な発見

• シミュレーションされたM/L_B(R)関数は、小スケール（数100 kpc）で増加し、大スケール（R > 0.2 h⁻¹ Mpc）で定数値に落ち着く。これは観測と完全に一致する。
• 豊富なクラスタやスーパクラスタなどの高密度領域では、M/L_Bの反バイアスが観測される。質量が青光よりもより集中しており、バイアス係数は b_{M/L_B}^{cl} = 0.75 ± 0.15 である。
• M/L_Bの反バイアスは、高密度領域が古いために、最近の星形成が減少し、青光度が著しく低下するため生じる。
• 高密度領域のM/L_B比は、低密度領域の2〜3倍高いことが一般的であり、クラスタとグループの観測結果と一致する。
• 最良の適合宇宙論的質量密度は Ω = 0.16 ± 0.05 であり、これは、全シミュレーションM/L関数を観測データに適合させ、以前に考慮されなかった反バイアスを補正することで得られた。
• この結果はモデルの変更に対しても頑健であり、銀河バイアスに関する仮定に依存せず、Ωに対する強力でモデルに依存しない制約を提供する。