[논문 리뷰] Formation rate of gravitational structures and the cosmic X-ray background radiation

Tetsu Kitayama, Yasushi Suto|arXiv (Cornell University)|1996. 02. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 5인용 수 48

한 줄 요약

이 논문은 Lacey & Cole (1993)의 병합 확률을 사용하여 초기 가우시안 불확실성에서 기인한 중력적으로 결속된 구조의 형성 및 파괴 비율에 대한 해석적 표현을 유도한다. 이를 통해 은하단의 X선 복사선을 예측하며, 이는 낮은 Ω₀ 냉암흑물질 우주론 모델(Ω₀ ≈ 0.2, λ₀ = 1−Ω₀, h ≈ 0.8)에서 은하단이 부드러운 간편 우주 X선 배경의 상당한 비율을 차지할 수 있음을 보여주며, COBE 정규화 및 관측 제약 조건과 일치한다.

ABSTRACT

Analytical expressions for the rates of formation and destruction of gravitationally bound systems are derived assuming that they are originated from primordial random-Gaussian density fluctuations. The resulting formulae reproduce the time derivative of the Press-Schechter mass function in a certain limit. Combining a theoretical model for the evolution of structures with the formation rate, we can make various cosmological predictions which are to be compared with observations. As an example to elucidate such applicability, we evaluate the contribution of clusters of galaxies to the cosmic X-ray background radiation. With the {\it COBE} normalization, we find that the significant fraction of the observed soft X-ray background is accounted for by clusters of galaxies in a cold dark matter universe with $Ω_0 \sim 0.2$, $λ_0 =1- Ω_0$ and $h \sim 0.8$.

연구 동기 및 목표

• 초기 가우시안 불확실성에 기반한 비틀림된 구조의 형성 및 파괴 비율을 위한 해석적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 프레스-셰처 질량 함수의 시간 도함수는 유일하게 표현할 수 없기 때문에, 형성 및 파괴 비율을 분리함으로써 프레스-셰처 함수를 개선하기 위해.
• 유도된 형성 비율을 활용하여 은하단이 간편 우주 X선 배경(XRB)에 기여하는 정도를 예측하기 위해.
• 특히 부드러운 대역에서의 은하단 X선 복사선 예측이 관측 데이터(예: ASCA) 및 유체역학적 시뮬레이션과 일치하는지 테스트하기 위해.
• 특히 Ω₀ 및 λ₀ 가 변화하는 경우에 은하단 X선 복사선의 천체물리적 의미를 평가하기 위해.

제안 방법

• Lacey & Cole (1993) 및 Bower (1991)의 병합 확률을 사용하여 가우시안 랜덤 필드 내의 계층적 클러스터링을 모델링함으로써 형성 및 파괴 비율을 유도한다.
• 작은 홀로의 병합을 통해 홀로 형성될 가능성을 통합하여 질량과 적색편이에 따른 형성 비율을 함수로 표현한다.
• 시간 도함수의 프레스-셰처 질량 함수를 기준으로 사용하지만, 부호 모호성으로 인해 직접적으로 형성 비율을 나타내지 못하므로 이를 보여준다.
• 중력 잠재력 성장에 기반하여 은하단 내 가스 및 X선 빛의 세기의 진화를 모델링하며, 빛의 세기가 홀로 질량 진화를 따라간다는 가정을 한다.
• 관측된 대규모 구조와 일치하기 위해 COBE DMR 2년치 데이터를 사용하여 스펙트럼의 규모를 정규화한다.
• 이론적 XRB 예측을 ASCA 관측 결과 및 유체역학적 시뮬레이션(Kang et al. 1994)과 비교하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프레스-셰처 질량 함수의 시간 도함수는 비틀림된 구조의 형성 비율을 신뢰성 있게 대체로 사용할 수 있는가?
• RQ2 가우시안 랜덤 필드의 기본 원리와 병합 확률에서 유도된 결속계의 형성 및 파괴 비율에 대한 해석적 표현은 무엇인가?
• RQ3 다양한 천체물리적 모델에서 은하단은 부드러운 간편 우주 X선 배경에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 은하단 X선 복사선 예측은 ASCA 관측 및 유체역학적 시뮬레이션과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 X선 배경 관측은 CDM 프레임워크 내에서 Ω₀ 및 λ₀ 와 같은 천체물리적 매개변수에 어떤 제약을 둔다?

주요 결과

• 병합 확률에서 유도된 결속계의 형성 비율은 시간 도함수의 프레스-셰처 함수보다 물리적으로 더 일관된 대안을 제공하며, 이는 음수일 수 있어 진정한 형성 비율이 아니기 때문이다.
• Ω₀ ≈ 0.2, λ₀ = 1−Ω₀, h ≈ 0.8 인 평탄한 CDM 모델에서 은하단은 관측된 부드러운 X선 배경 복사선의 상당한 비율을 차지할 수 있다.
• Ω₀ = 1 인 모델은 관측된 X선 강도를 과도하게 예측하여 관측 결과와의 괴리가 있음을 시사한다.
• Ω₀ ≈ 0.2 인 개방형 CDM 모델은 은하단 기여가 무시할 만큼 작음을 예측하여, 다른 기여원(예: 활성 은하핵)이 XRB를 지배해야 함을 시사한다.
• X선 빛 세기 함수 및 XRB 스펙트럼에 대한 이론적 예측은 유체역학적 시뮬레이션과 ASCA 관측 결과와 합리적인 일치를 보이며, 모델의 타당성을 뒷받침한다.
• 이 연구는 은하단 형성 역학과 가스 진화 모델의 중요성을 강조하며, 내부 은하단 매체의 진화에 대한 불확실성이 이론적 오차의 가장 큰 원인임을 지적한다.