[논문 리뷰] Compact Groups in GDM Cosmological Simulations

Jessica N. López-Sánchez, Erick Munive-Villa외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 68인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 일반화된 어두운 물질(GDM) 모형에서 냉각 어두운 물질(CDM)에 비해 음속, 점성 및 상태방정식에 대한 자유 함수를 추가한 N-체 시뮬레이션에서 힉슨 밀집군집(HCGs)을 조사한다. 소규모 구조가 억제됨에도 불구하고 GDM 시뮬레이션은 CDM보다 더 많은 HCG를 생성하며, 이는 군집 메커니즘이 수정되었음을 시사하지만, 시뮬레이션된 속도 분산은 관측된 값보다 크게 낮다.

ABSTRACT

In this work, we study some properties of the Hickson Compact Groups (HCGs) using N-body simulations for the Generalized Dark Matter (GDM) model, described by three free functions, the sound speed, the viscosity and the equation of state. We consider three GDM models associated with different values of the free functions to neglect collisional effects. We constructed the initial seeds of our simulations according to the matter power spectrum of GDM linear perturbations, which hold a cut-off at small scales, and explored their effects on the non-linear structure formation at small and intermediate scales. We generated mock catalogues of galaxies for different models and classify HCGs by implementing an algorithm that adapts the original selection method for mock catalogues. Once the HCGs samples are classified, we analyzed their properties and compared them between models. We found that a larger amount of HCGs are counted in GDM simulations in comparison to CDM counts. This difference suggests that HCGs can proliferate within GDM despite the suppressed substructure, which indicates a possible modification in the HCG formation process within models where DM is not perfectly like CDM. Additionally, we identified different mechanisms of clustering, for models with a large amount of galaxy-halos self-agglomerate because of their abundance while models with fewer galaxy-halos need massive halos acting as a dominant potential well. Finally, by comparing distributions of different observables of simulated HCGs against observations, we found a good agreement in the intrinsic properties. However, a discrepancy in the velocity dispersion remains unsolved.

연구 동기 및 목표

• 일반화된 어두운 물질(GDM) 모형이 음속과 점성이 비영이 되는 경우, 표준 CDM에 비해 힉슨 밀집군집(HCGs)의 형성 및 성질에 어떤 영향을 미치는지 탐구하기.
• GDM 모형에서 소규모 구조가 억제되는 것이 HCG 수와 군집 메커니즘에 어떤 영향을 미치는지 조사하기.
• 질량, 밀도, 속도 분산, 횡단 시간 등의 시뮬레이션된 HCG 성질을 관측 데이터와 비교하여 모형의 타당성을 평가하기.
• GDM 및 CDM 모형에서 HCG 수의 적색편이 진화를 분석하여 형성 피크와 시간적 추세를 규명하기.
• 특히 자기 응집성과 잠재력 우물 지배 군집 메커니즘 간의 차이를 고려해, 다양한 GDM 모형에서의 군집 메커니즘을 식별하기.

제안 방법

• 비영인 음속으로 인해 소규모에서 잘린 선형 물질 스펙트럼을 갖는 GDM의 초기 조건을 구축하였다.
• 다양한 음속, 점성 및 상태방정식을 가진 세 가지 GDM 모형과 표준 CDM 시뮬레이션을 수행하였다.
• 은하를 군집에 할당하기 위해 허브 오너십 분포(HOD)-유사 접근법을 사용해 허브 입자로부터 가짜 은하 목록을 생성하였다.
• 원래 힉슨 선택 알고리즘의 수정된 버전을 적용하여 고립성, 밀집성 및 질량 비율(N ≥ 4 또는 N = 3) 등의 기준을 사용해 HCG를 분류하였다.
• 시뮬레이션된 HCG 분포와 관측된 분포 간의 일치도를 평가하기 위해 커널 밀도 추정과 히스토그램 비교를 사용하였다.
• 적색편이 z = 6에서 z = 0까지 HCG 수의 변화를 추적하여 시간적 진화와 형성 피크를 연구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소규모 구조가 억제되는 GDM 모형은 CDM에 비해 더 많은지, 더 적은 힉슨 밀집군집(HCGs)을 생성하는가?
• RQ2 소규모 구조 억제 정도가 다른 GDM 모형에서 지배적인 군집 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 시뮬레이션된 HCG의 내재 성질(질량, 밀도, 속도 분산, 횡단 시간)은 관측된 HCG와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 GDM 및 CDM 모형에서 HCG 수가 피크를 이룰 적색편이는 언제이며, 그 형성 역사는 어떻게 다른가?
• RQ5 왜 시뮬레이션된 HCG의 속도 분산은 관측된 HCG보다 뚜렷하게 낮은가, 이 불일치는 모형에 따라 달라지는가?

주요 결과

• GDM I 시뮬레이션은 소규모 구조가 적은 상태에서도 CDM보다 더 많은 HCG를 생성하여, HCG 형성은 높은 구조 밀도에만 의존하지 않는다는 것을 시사한다.
• GDM III 시뮬레이션은 초도부터 상당히 적은 수의 HCG를 생성하여, 높은 점성과 음속이 군집 형성을 억제함을 시사하며, 관측과 가장 큰 괴리가 있는 모형이다.
• N = 4의 경우 GDM I은 CDM보다 더 많은 HCG를 보이며, GDM II는 CDM와 유사한 수준이지만, N = 3의 경우 CDM이 지배적이며, GDM I과 II는 그에 가까운 수준이지만 GDM III는 훨씬 낮다.
• 질량 및 밀도 분포에서 시뮬레이션된 HCG는 관측 결과와 양호한 일치를 보였으며, 1차원 및 2차원 히스토그램, 커널 밀도 추정을 통해 확인되었다.
• 속도 분산에서 지속적인 불일치가 존재하며, 시뮬레이션된 값은 항상 관측된 HCG보다 낮다. 이는 이전 연구와 일관되며, 본 연구에서 해결되지 않았다.
• CDM, GDM I 및 GDM II의 HCG 수는 유사한 적색편이(~z ≈ 0)에서 피크를 이룬다. 이들 모두가 최대치에 도달하기 전에 평탄한 진화 단계를 보이며, GDM III는 최소한의 성장을 보이며 전반적으로 낮은 수준을 유지한다.