[論文レビュー] WarmAndFuzzy: the halo model beyond CDM

David J. E. Marsh|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 24

ひとこと要約

WarmAndFuzzy は、暖かい暗黒物質（WDM, m_X ≈ 1 keV）および不確かさのある暗黒物質（FDM, m_a ≈ 10^{-22} eV）の非線形物質パワー スペクトルを計算する、準解析的ハロー モデル コードを提示する。線形伝達関数、崩壊の障壁、濃度-質量関係を修正して組み込み、FDM のハロー モデル パワー スペクトルを初めて計算する実装である。低赤方偏移における準線形および非線形領域で、WDM、FDM、CDM が明確に異なる特徴を示すことが示された。

ABSTRACT

Cold dark matter (CDM) is a well established paradigm to describe cosmological structure formation, and works extraordinarily well on large, linear, scales. Progressing further in dark matter physics requires being able to understand structure formation in the non-linear regime, both for CDM and its alternatives. This short note describes a calculation, and accompanying code, WarmAndFuzzy, incorporating the popular models of warm and fuzzy dark matter (WDM and FDM) into the standard halo model to compute the non-linear matter power spectrum. The FDM halo model power spectrum has not been computed before. The FDM implementation models ultralight axions and other scalar fields with $m_a\approx 10^{-22} ext{ eV}$. The WDM implementation models thermal WDM with mass $m_X\approx 1 ext{ keV}$. The halo model shows that differences between WDM, FDM, and CDM survive at low redshifts in the quasi-linear and fully non-linear regimes. The code uses analytic transfer functions for the linear power spectrum, modified collapse barriers in the halo mass function, and a modified concentration-mass relationship for the halo density profiles. Modified halo density profiles (for example, cores) are not included, but are under development. Cores are expected to have very minor effects on the power spectrum on observable scales. Applications of this code to the Lyman-$α$ forest flux power spectrum and the cosmic microwave background lensing power spectrum will be discussed in companion papers. extsc{WarmAndFuzzy} is available online at \url{https://github.com/DoddyPhysics/HMcode}, where collaboration in development is welcomed.

研究の動機と目的

• 冷たい暗黒物質（CDM）とは異なる暗黒物質モデルにおける非線形物質パワー スペクトルを高速に準解析的に計算するための手法を開発すること。
• 特に、FDM に対しては、これまでハロー モデル パワー スペクトルの計算がなされていなかったため、ハロー モデル形式を WDM および FDM に拡張すること。
• 宇宙論的パrameter推定および観測的検証に使用可能な、代替的暗黒物質モデルにおける非線形構造形成の効率的探索を可能にすること。
• コミュニティ向けに公開可能で拡張可能なコードベース（WarmAndFuzzy）を提供すること。今後の拡張としてコアプロファイルや改善された二ハロー項のサポートを想定する。

提案手法

• HMcode フレームワーク（Mead et al., 2015）をベースにハロー モデル計算を構築し、その準解析的構造を活用する。
• WDM および FDM の両方で小スケールでのパワー抑制を反映するように、修正された線形伝達関数を組み込む。これは、自由流れおよびド・ブロイ波長効果を反映する。
• プレス＝シェクター形式における崩壊障壁を、ハロー質量依存性を含めるように調整し、WDM および FDM における小スケールハロー形成の抑制を考慮する。
• CDM とは異なった構造成長を反映するため、NFW 濃度-質量関係を修正する。
• ハロー質量関数およびパワー スペクトルの分解（1ハロー項および2ハロー項に分離）に、解析的補正式を用いる。
• FDM に対しては、スカラー場のポテンシャルを二次関数的（V(φ) = m_a²φ²/2）と仮定し、コherently 振動する状態および自己相互作用効果が伝達関数およびHMFに及ぼす影響が無視できる範囲を想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準線形および完全非線形領域において、WDM および FDM の非線形物質パワー スペクトルは、CDM とどのように異なるか？
• RQ2 高価な N ボディシミュレーションに依存せずに、準解析的ハロー モデルが WDM および FDM における小スケールパワー抑制を的確に捉えられるか？
• RQ3 修正された崩壊障壁および濃度-質量関係が、非CDM 暗黒物質状況におけるハロー モデル パワー スペクトルに与える影響は何か？
• RQ4 ハロー密度プロファイルの修正（例：コア）が、WDM や FDM における観測可能なスケールでのパワー スペクトルに及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 FDM に対して、ハロー モデル近似がどの程度有効に機能するか。特に、このモデルに対しては、これまでハロー モデル計算がなされていなかったため。

主な発見

• WarmAndFuzzy コードは、FDM のハロー モデルに基づく非線形物質パワー スペクトルを初めて計算し、理論的モデリングにおける重要な空白を埋めた。
• 低赤方偏移における非線形領域でも、CDM、WDM、FDM 間の違いが持続し、準線形および非線形スケールで明確に識別可能なパワー抑制特徴が観測された。
• 波数 k ≤ 100 h Mpc⁻¹ の範囲では、約 10% の定量的精度が期待され、より高い k における結果は一般的なトレンドを示すものとされる。
• 観測可能なスケールでは、コア効果のパワー スペクトルへの影響は劣微であり、WDM（m_X > 0.25 keV）および k < 100 h Mpc⁻¹ の場合、1% 未満の影響が予想される。FDM でコアが大きくても同様に小さな影響が見込まれる。
• ハロー モデルの実装から、FDM の自己相互作用や非二次的ポテンシャルが線形伝達関数およびハロー質量関数にほとんど影響しないことが示された。これにより、本モデルで m_a²φ²/2 ポテンシャルを用いることは正当化される。
• コードは https://github.com/DoddyPhysics/HMcode で公開されており、今後の作業としてコアプロファイルや改善された二ハロー項の追加が計画されている。