[논문 리뷰] Looking at the relation between haloes and galaxies under the lens

Eyal Neistein, Sadegh Khochfar|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 03.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 N-body 시뮬레이션을 사용하여 은하의 별질량과 다크 물질 혼합체 및 준혼합체를 경험적으로 연결하는 HASH(Halo-Abundance and Subhalo-based) 모델을 제안한다. 이 모델은 시뮬레이션된 준혼합체 분포에서 직접 약한 렌즈 신호를 모델링하며, 현재의 약한 렌즈 데이터는 은하-은하질량관계에 대해 제한된 제약 조건을 제공함을 발견한다. 즉, 주어진 별질량에 대해 중심 은하 준혼합체 질량에 대해 10배 이상의 자유도가 허용된다. 향후 고정밀 렌즈 조사가 저질량 은하에 대한 제약 조건을 크게 향상시킬 수 있다.

ABSTRACT

We use an empirical approach to model the stellar mass of galaxies according to their host dark-matter haloes and subhaloes ('HASH'), where each galaxy resides in a subhalo taken from a large N-body cosmological simulation. This approach allows us to study the mass relation between subhaloes and galaxies (MR) using: the weak lensing signal (WL), the two point auto-correlation function (CF), and the stellar mass function of galaxies (SMF). Our method is based on modeling the lensing signal directly from the cosmological simulation, and should thus be more accurate than other methods based on analytic halo models. We find that the WL does not provide a strong constraint on the MR, allowing for more than a factor of 10 freedom in the subhalo mass of central galaxies, for a given stellar mass. The freedom for satellite galaxies is much larger, providing a very poor constraint on the fraction of satellite galaxies (0.05-0.8). These results are not significantly modified when using both the SMF and WL as constraints. We show that for the most massive galaxies, observational constraints based on the CF with 0.1 dex errors, are equivalent to 0.05 dex error in the WL. For intermediate and low mass galaxies the WL and CF constrain the MR in a different way. Although the WL is currently not adding much information at these masses, it has the potential of being important using future, more accurate measurements. The models found here do not match simultaneously the observed CF and WL signals, and show a limited ability to match the WL & SMF. We suspect that this is partially due to the cosmological model assumed here and we therefore adopt a mock WL signal through most of this work. In comparison to previous models in the literature, the method presented here is probably more general, as it reveals a larger range of solutions for a given set of observational constraints [abridged].

연구 동기 및 목표

• 직접 N-body 시뮬레이션 출력을 사용하여 은하-별질량과 혼합체/준혼합체 질량관계(MR)를 일반적이고 시뮬레이션 기반으로 모델링하는 방법을 개발하는 것.
• z=0에서 관측 데이터를 사용하여 약한 렌즈(WL), 은하 군집(CF), 별질량 함수(SMF)가 MR에 미치는 제약 조건의 강도를 평가하는 것.
• WL과 SMF, CF를 조합했을 때 MR에 대한 제약 조건이 향상되는지 확인하고, 현재 관측 정확도의 한계를 규명하는 것.
• 우주론적 가정 하에서 모델의 탄력성을 탐색하고, 향후 고정밀 렌즈 데이터의 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 대규모 N-body 천체역학 시뮬레이션(Millennium Simulation)에서 준혼합체에 은하를 할당하기 위해 준혼합체 질량과 은하 별질량 간의 경험적 관계를 사용한다.
• 해석적 혼합체 모델 근사치를 피하기 위해, 고정된 유입 및 비알질 질량을 가진 준혼합체 주변의 준혼합체 밀도 프로파일을 스택하여 직접 시뮬레이션에서 약한 렌즈 신호를 모델링한다.
• 관측 제약 조건인 별질량 함수(SMF), 두점상상상관계함수(CF), 약한 렌즈(WL)를 사용하여 MR를 校정하며, 관측된 WL과 SMF 간의 불일치로 인해 수정된 모의 WL 신호를 채택한다.
• 혼합체 질량 범위에 걸쳐 다양한 MR 해를 탐색함으로써, MR의 비선형성 분석을 가능하게 하며, 질량 범위에 따라 다양한 MR 솔루션을 탐색한다.
• MR의 비선형성은 통계적 불확실성 범위(예: 저질량 은하의 경우 0.8 dex의 자유도)로 정량화되며, SMF, CF, WL의 다양한 조합 하에서 제약 조건를 평가한다.
• 모델은 혼합체 및 준혼합체 질량 함수, 군집, 렌즈를 고려하여 시뮬레이션에서 스택된 프로파일을 계산함으로써 관측과 직접 비교할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 렌즈 신호는 중심 및 위성 은하에 대해 은하-혼합체 질량관계(MR)를 어느 정도 제약하는가?
• RQ2 별질량 함수(SMF), 두점상상상관계함수(CF), 약한 렌즈(WL)의 조합 제약 조건이 MR의 비선형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HASH 모델은 일관된 파rameter 세트를 사용하여 관측된 SMF, CF, WL 신호를 동시에 일치시킬 수 있는가?
• RQ4 향후 약한 렌즈 정확도가 어느 정도여야 저질량 및 중간질량 은하의 MR 제약 조건을 의미 있게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 우주론적 가정 및 단순화(예: 산란 없음, 갈라드 효과 없음)가 MR 제약 조건의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 약한 렌즈 신호는 은하-혼합체 질량관계에 대해 매우 제한적인 제약 조건을 제공한다: 주어진 별질량에 대해 중심 은하 준혼합체 질량에 대해 10배 이상의 자유도가 허용된다.
• 위성 은하는 더 큰 비선형성을 보이며, 수치 분포 범위가 0.05–0.8로 나타나, 그들의 MR에 대한 제약 조건이 열악하다.
• SMF와 CF와 함께 약한 렌즈 데이터를 포함하더라도 MR의 비선형성은 유의미하게 감소하지 않으며, 이는 WL이 현재 거대 은하에 대해 거의 정보를 추가하지 못한다는 것을 시사한다.
• 거대 은하의 경우, CF의 0.1 dex 오차는 WL의 0.05 dex 오차와 동일한 제약 조건 강도를 가지며, 현재 오차 예산 하에서는 CF가 더 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 중간 및 저질량 은하의 경우, WL과 CF는 MR를 다르게 제약 조건을 제공하며, 향후 약 0.1 dex 정밀도의 WL 측정이 저질량 은하 MR의 제약 조건을 크게 향상시킬 수 있다.
• 모델은 관측된 CF와 WL 신호를 동시에 일치시키지 못하며, WL과 SMF를 일치시키는 데도 제한된 능력을 보이며, 이는 우주론적 모델 가정 때문일 가능성이 높다. 따라서 일관성을 확보하기 위해 모의 WL 신호를 채택한다.