[논문 리뷰] Evolution of the Lyman-alpha forest from high to low redshift

R. Riediger, Patrick Petitjean외 1명|arXiv (Cornell University)|1997. 09. 14.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 CDM 모델의 N-body 시뮬레이션을 사용하여 z=5에서 z=0까지의 라이만-알파 숲의 적색편이 진화를 조사한다. 여기서는 가속입자가 어두운 물질을 따라 움직인다고 가정한다. 연구 결과, log N(HI) > 12 인 흡수선의 수밀도는 z=4에서 z=1 사이에서 거의 일정하게 유지되며, z=0에서 log N(HI) > 12, 13, 14 인 경우 각각 단위 적색편이당 약 400, 100, 20개의 선이 관측되며, 이는 대부분의 숲 선이 약한 강도를 띠고 있고 은하와의 밀접한 상관관계가 없음을 시사한다.

ABSTRACT

We study the evolution with redshift, from z=5 to z=0, of the Lyman-alpha forest in a CDM model using numerical simulations including collisionless particles only. The baryonic component is assumed to follow the dark matter distribution. We distinguish between two populations of particles: Population P{s} traces the filamentary structures of the dark matter, evolves slowly with redshift and, for N(HI)>10^14 cm^-2, dominates the number density of lines at z<3; most of population P{u} is located in underdense regions and for the same column densities, disappears rapidly at high redshift. We generate synthetic spectra from the simulation and show that the redshift evolution of the Lyman-alpha forest (decrement, N(HI) distribution) is well reproduced over the whole redshift range for Omega_b*h^2=0.0125 and J_-21=0.1 at z=3 where J_-21 is the UV background flux intensity in units of 10^-21 erg cm^-2 s^-1 Hz^-1 sr^-1. The total number of lines with N(HI)>10^12 cm^-2 remains approximately constant from z=4 to z=1. At z=0, the number density of lines per unit redshift with log N(HI)>12, 13, 14 is of the order of 400, 100, and 20 respectively. Therefore, at low redshift, if most of the strong (w_r>0.3 Å) lines are expected to be associated with galaxies, the bulk of the Lyman-alpha forest however should have lower equivalent width and should not be tightly correlated with galaxies.

연구 동기 및 목표

• 우주의 시간에 따라 라이만-알파 숲의 적색편이 진화를 이해하기 위해.
• 고적색편이에서 저적색편이로의 히드로젠-1 흡수선의 분포와 수밀도 변화를 모델링하기 위해.
• 어두운 물질 구조가 숲의 성질을 어떻게 결정하는지 평가하기 위해.
• 저적색편이에서 라이만-알파 숲이 은하와 상관관계가 있는지 확인하기 위해.
• 모의된 숲 성질이 관측된 감소량과 열화도 분포와 일치하는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 어두운 물질 분포를 추적하기 위해 비충격 입자로 CDM 모델을 시뮬레이션한다.
• 가속입자가 어두운 물질 분포를 따라 움직이며, 복사 냉각이나 피드백은 고려하지 않는다.
• 입자를 두 개의 집단으로 분류: 필라멘터리 구조에 있는 P{s}와 밀도가 낮은 영역에 있는 P{u}로 나눈다.
• 관측된 숲 성질과 비교하기 위해 시뮬레이션에서 합성 스펙트럼을 생성한다.
• z=3에서 UV 배경 플럭스 강도 J_-21 = 0.1을 사용하여 광이온화를 모델링한다.
• z=0에서 z=5 사이의 관측 결과와 모의된 감소량과 N(HI) 분포를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=5에서 z=0까지 라이만-알파 숲 선의 수밀도는 어떻게 진화하는가?
• RQ2 다른 적색편이에서 필라멘터리(P{s})와 밀도가 낮은(P{u}) 영역의 기여는 어떠한가?
• RQ3 저적색편이에서 강한 라이만-알파 선은 어느 정도 은하와 관련이 있는가?
• RQ4 가속입자가 어두운 물질을 따라 움직이는 CDM 모델이 관측된 열화도 분포와 감소량을 재현할 수 있는가?
• RQ5 다른 열화도 임계값에 대해 z=0에서 예측되는 선 밀도는 얼마인가?

주요 결과

• N(HI) > 10^12 cm^-2 인 선의 총 수밀도는 z=4에서 z=1 사이에서 거의 일정하다.
• z=0에서 log N(HI) > 12, 13, 14 인 경우 각각 단위 적색편이당 약 400, 100, 20개의 선이 관측된다.
• P{s} 집단은 N(HI) > 10^14 cm^-2 인 경우 z<3에서 선 수에 주로 기여한다.
• P{u} 집단은 동일한 열화도에서 고적색편이에서 급격히 사라진다.
• Omega_b*h^2 = 0.0125 이고 z=3에서 J_-21 = 0.1 이면, 모의된 감소량과 N(HI) 분포의 적색편이 진화는 관측 결과와 잘 일치한다.
• 저적색편이에서 대부분의 라이만-알파 숲 선은 등가폭이 작으며 은하와의 상관관계가 약하다.