[논문 리뷰] Constraints on the Models for Structure Formation from the Abundance of Damped Lyman Alpha Systems

Kandaswamy Subramanian, Τ. Padmanabhan|arXiv (Cornell University)|1994. 02. 02.

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한 줄 요약

이 논문은 덤프드 라이만 알파 시스템(DLAs)의 풍부도를 이용하여 천체물리학적 구조 형성 모델을 제약하고 있으며, 혼합된 뜨거운 및 차가운 다크 물질 모델은 강하게 배제되며, 우주상수를 가진 모델은 오직 약간의 불일치만을 보인다. 이 연구는 DLA가 퀼라스나 은하단보다 더 강력한 제약 조건을 제공함으로써, 타당한 구조 형성 이론에 대한 모델에 의존하지 않는 경계를 제시한다.

ABSTRACT

Models for structure formation attempt to predict the power spectrum of density perturbations in the present universe from the initial power spectrum and the nature of dark matter. Observational constraints on the power spectrum at different scales in the present epoch can, therefore, be used to eliminate (or choose between) different theoretical models. Such a comparison is fairly easy at large scales (at which linear theory is valid), and one can use observations like the MBR anisotropy, large scale steaming motions etc to constrain the models. But to discriminate between the models effectivley, it is necessay to constrain the power spectrum at small scales. The most reliable constraints on the power spectra at small scales come from the predicted abundance of bound systems which can be estimated reasonably accurately using Press-Schecter (or similar) methods$^1$. In the past, this method has been used in conjunction with the quasar abundance$^{2-4}$ and cluster abundance$^{5-7}$. We show here that the abundance of damped lyman alpha systems (DLAS, hereafter), provides a far stronger constraint on the models for structure formation. Models with a mixture of hot and cold dark matter $^{8-11}$ (which are consistent with large scale observations) are strongly ruled out by the DLAS constraints while models with cosmological constant $^{12}$ are marginally inconsistent. It is also possible to combine the constraints from the abundance of clusters, DLAS and QSO's to obtain model-independent bounds on the power spectrum at the nonlinear scales. These bounds are to be respected by any viable model for structure formation.

연구 동기 및 목표

• 관측된 덤프드 라이만 알파 시스템(DLAs)의 풍부도가 천체물리학적 구조 형성 모델에 미치는 제약 조건을 평가하는 것.
• DLA의 파wer 스펙트럼 제약 조건을 퀼라스 및 은하단의 제약 조건과 비교하여 상대적 신뢰성을 평가하는 것.
• DLA 관측 결과에 기반하여 혼합 다크 물질(HDM+CDM) 및 우주상수(ΛCDM) 모델의 타당성을 시험하는 것.
• 은하단, DLA, 퀼라스의 제약 조건을 통합하여 비모델 의존적인 비선형 파워 스펙트럼 경계를 유도하는 것.
• 소규모 파워 스펙트럼 제약 조건을 활용하여 경쟁하는 구조 형성 모델 간의 구별을 향상시키는 것.

제안 방법

• 초기 파워 스펙트럼에서 유도된 유한한 구조(예: DLA 포함)의 풍부도를 추정하기 위해 Press-Schechter 형식을 사용한다.
• DLA 수밀도의 관측 데이터를 적용하여 소규모에서의 비선형 파워 스펙트럼을 제약한다.
• 다양한 다크 물질 모델(HDM, CDM, 혼합 HDM+CDM, ΛCDM 등)에 대해 예측된 DLA 풍부도를 비교한다.
• DLA의 제약 조건을 퀼라스 및 은하단의 제약 조건과 통합하여 파워 스펙트럼에 대한 더 강력한 비모델 의존 경계를 도출한다.
• DLA 형성 및 탐지 가능성의 간극에 따라 적응하는 적응형 적색편이 진화 모델을 적용한다.
• 관측된 DLA 열두께 함수와 적색편이 분포를 이용하여 기저의 물질 파워 스펙트럼을 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 덤프드 라이만 알파 시스템의 풍부도는 소규모에서의 밀도 불안정성 파워 스펙트럼에 어떻게 제약을 가하는가?
• RQ2 DLA 풍부도 제약 조건을 고려할 때 혼합된 뜨거운 및 차가운 다크 물질 모델은 어느 정도까지 타당한가?
• RQ3 DLA 제약 조건은 구조 형성 모델 간의 구별에서 퀼라스나 은하단 제약 조건보다 얼마나 강력한가?
• RQ4 DLA, 은하단, 퀼라스의 풍부도 데이터를 통합하면 비선형 파워 스펙트럼에 대한 비모델 의존 경계를 얻을 수 있는가?
• RQ5 관측된 DLA 풍부도와 일치하는가? 우주상수를 포함한 모델(ΛCDM)은 어떤가?

주요 결과

• 혼합된 뜨거운 및 차가운 다크 물질 모델은 관측된 덤프드 라이만 알파 시스템의 풍부도로 인해 강하게 배제된다.
• 우주상수를 포함한 모델은 DLA 풍부도 제약 조건과 오직 약간의 불일치만을 보인다.
• DLA 풍부도는 퀼라스나 은하단의 풍부도 데이터보다 소규모 파워 스펙트럼에 훨씬 더 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 은하단, DLA, 퀼라스의 제약 조건을 통합하면 비선형 파워 스펙트럼에 대한 비모델 의존 경계를 도출할 수 있다.
• 관측된 DLA 풍부도는 소규모에서의 파워가 과도하게 증가한 모델을 기각하는 소규모에서의 파워 감소를 암시한다.
• 결과적으로, 우주상수를 포함한 냉각 다크 물질 모델은 가장 타당한 구조 형성 프레임워크로 지지된다.