[논문 리뷰] Empirical models for Dark Matter Halos

Alister W. Graham, David Merritt외 3명|arXiv (Cornell University)|2005. 09. 15.

Scientific Research and Discoveries참고 문헌 1인용 수 52

한 줄 요약

이 논문은 N-body 시뮬레이션에서 비모수적 함수 추정을 사용하여 어둠의 물질 허브 밀도 프로파일을 유도하며, NFW, Sersic, Prugniel & Simien(PS)과 같은 파rametric 모델과 비교한다. Sersic 및 PS 모델은 산란이 네 배 낮은 4배 낮은 산란을 보이며, 허브 성질은 빛나는 타원은하와 일치하여 0.1 kpc에서 일반적인 내부 로그 기울기 -0.7을 보인다.

ABSTRACT

(Abridged) We use techniques from nonparametric function estimation theory to extract the density profiles, and their derivatives, from a set of N-body halos, and compare these with a variety of parametric models. We consider halos generated from isolated spherical collapses and LCDM simulations of gravitational clustering. The models include an NFW-like model with arbitrary inner power-law slope gamma, Sersic's r^{1/n} model (traditionally applied to projected light-profiles), and the density model of Prugniel & Simien (PS) that was designed to match the deprojected form of the Sersic model and is applied here for the first time to dark matter halos. The Sersic and PS models perform the best, with an rms scatter four times smaller than that obtained with the NFW-like model in the case of the cold collapses. The location of the (10^{12} M_sun) galaxy-sized, N-body halos in the <mu>_e-log(R_e) and log(rho_e)-log(R_e) diagrams coincides with that of brightest cluster galaxies, consistent with the new relation log(rho_e) = 1.15 - 2.5log(R_e) defined by luminous elliptical galaxies. We provide analytical expressions for the slopes of the empirical models, and compare these with data from real galaxies. Depending on the Sersic parameters of the dark matter halo, one can expect an extrapolated, inner (0.01 - 1 kpc), logarithmic profile slope ranging from -0.2 to -1.5, with a typical value at 0.1 kpc around -0.7. We also present the radial behavior of rho(r)/sigma(r)^3 for the Sersic and PS models, finding they are well approximated by a power-law with slope slightly shallower than -2 near r=r_{-2}.

연구 동기 및 목표

• 사전에 파라메트릭 형태를 가정하지 않고 N-body 허브에서 정확한 밀도 프로파일과 그 도함수를 추출하는 것.
• NFW 유사, Sersic, PS 모델의 성능을 허브의 비모수적 추정치와 비교 평가하는 것.
• 경험적 허브 프로파일이 빛나는 은하의 관측된 스케일링 관계와 일치하는지 조사하는 것.
• 프로파일 기울기에 대한 해석적 표현을 유도하고 실제 은하 데이터와의 일관성을 평가하는 것.
• rho(r)/sigma(r)^3의 반경 방향 행동과 r_{-2} 근처의 멱법칙 근사가 어떻게 되는지 조사하는 것.

제안 방법

• 비모수적 함수 추정 기법을 사용하여 시뮬레이션된 N-body 허브에서 밀도 프로파일과 그 도함수를 추출한다.
• Sersic r^{1/n} 모델과 Prugniel & Simien(PS) 탈투과 모델을 비모수적 프로파일과 비교하기 위해 피팅한다.
• NFW 유사 모델은 임의의 내부 멱법칙 기울기 gamma를 가진 일반화된 형태로 확장하여 비교의灵活性를 높인다.
• empirical 및 parametric 모델 간의 루트 평균 제곱(rms) 산란을 통해 통계적 성능을 평가한다.
• <mu>_e-log(R_e) 및 log(rho_e)-log(R_e) 평면에서 스케일링 관계를 사용하여 허브를 빛나는 타원은하와 비교한다.
• Sersic 및 PS 모델의 로그 기울기 프로파일에 대한 해석적 표현을 유도하고 관측 데이터와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비모수적으로 유도된 허브 밀도 프로파일은 NFW, Sersic, PS와 같은 표준 파라메트릭 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 Sersic 및 PS 모델은 시뮬레이션된 허브 프로파일에 대한 피팅에서 NFW 유사 모델에 비해 상대적으로 얼마나 우수한 성능을 보이는가?
• RQ3 LCDM 시뮬레이션에서 은하 크기의 어둠의 물질 허브는 빛나는 타원은하와 같은 스케일링 관계를 따르는가?
• RQ4 다양한 Sersic 매개변수에 따라 어둠의 물질 허브의 예상 내부 로그 기울기는 무엇인가?
• RQ5 rho(r)/sigma(r)^3의 비율은 반경 방향으로 어떻게 행동하며, 멱법칙 근사로 잘 근사되는가?

주요 결과

• Sersic 및 PS 모델은 냉각 붕괴 시뮬레이션에서 NFW 유사 모델 대비 프로파일 피팅의 rms 산란을 4배 낮춘다.
• 10^12 M_sun 허브의 위치는 <mu>_e-log(R_e) 및 log(rho_e)-log(R_e) 평면에서 가장 밝은 클러스터 은하와 일치한다.
• halo와 빛나는 타원은하 양쪽 모두에 대해 log(rho_e) = 1.15 - 2.5log(R_e) 스케일링 관계가 관측된다.
• 어둠의 물질 허브의 내부 밀도 기울기의 외삽된 값은 -0.2에서 -1.5 사이이며, 0.1 kpc에서 일반적인 값은 -0.7이다.
• Sersic 및 PS 모델의 rho(r)/sigma(r)^3 비율은 r_{-2} 근처에서 기울기가 약간 평탄한 -2보다 약간 얕은 멱법칙으로 잘 근사된다.
• Sersic 및 PS 모델의 프로파일 기울기에 대한 해석적 표현이 유도되었으며, 실제 은하의 관측 데이터와 일관됨을 보여준다.