[논문 리뷰] Properties of Cold Dark Matter Halos at z>6

Renyue Cen, Fengqiu Adam Dong외 2명|arXiv (Cornell University)|2004. 03. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 표준 LCDM 모델에서 적색이동 $z=6-11$ 범위 내에서 질량 $10^{6.5}-10^9\,M_\odot$ 인 냉각 암흑물질 군집을 고해상도 N-body 시뮬레이션을 통해 분석한다. 군집 편향($b \sim 2-6$), 질량 함수 기울기 $2.05 \pm 0.15$, 질량 및 적색이동에 따라 변화하는 중심 밀도 프로파일($\alpha_0 = 0.75((1+z)/7.0)^{-1.25}(M/10^7\,M_\odot)^{0.11(1+z)/7.0}$), 중앙 스핀 파am터 $0.03-0.04$, 그리고 $30-40$ km/s를 초과하는 특이 속도를 발견하였다.

ABSTRACT

We compute the properties of dark matter halos with mass $10^{6.5}-10^9\msun$ at redshift $z=6-11$ in the standard cold dark matter cosmological model, utilizing a very high resolution N-body simulation. We find that dark matter halos in these mass and redshift ranges are significantly biased over matter with a bias factor in the range 2-6. The dark matter halo mass function displays a slope of $2.05\pm 0.15$ at the small mass end. We do not find a universal dark matter density profile. Instead, we find a significant dependence of the central density profile of dark matter halos on halo mass and epoch with $α_0=0.4-1.0$; the high-mass ($M\ge 10^8\msun$) low-redshift ($z\sim 6$) halos occupy the high end of the range and low-mass ($M\sim 10^{7}\msun$) high-redshift ($z\sim 11$) halos occupy the low end. Additionally, for fixed mass and epoch there is a significant dispersion in $α_0$ due to the stochastic assembly of halos. Our results fit a relationship of the form $α_0=0.75((1+z)/7.0)^{-1.25}(M/10^7\msun)^{0.11(1+z)/7.0}$ with a dispersion about this fit of $\pm 0.5$ and no systematic dependence of variance correlated with environment. The median spin parameter of dark matter halos is $0.03-0.04$ but with a large lognormal dispersion of $\sim 0.4$. Various quantities are tabulated or fitted with empirical formulae.

연구 동기 및 목표

• 관측 제약이 은하핵 흡수선과 CMB 데이터로부터 점점 더 명백해지는 표준 LCDM 우주론에서 고적색이동($z > 6$)에서 냉각 암흑물질 군집의 성질을 조사하기 위해.
• 질량 범위 $10^{6.5}-10^9\,M_\odot$ 에서 $z=6-11$ 에서의 군집 질량 함수, 편향, 밀도 프로파일, 스핀 파am터, 운동량 및 특이 속도를 정량화하기 위해.
• 고적색이동에서 보편적인 밀도 프로파일이나 스핀 파am터가 존재하는지 여부, 또는 질량과 시기(적색이동)에 따라 달라지는지 규명하기 위해.
• 초기 은하 및 재이온화 과정의 이론적 모델링을 지원하기 위해 핵심 군집 성질에 대한 경험적 피팅과 통계 분포를 제공하기 위해.

제안 방법

• 입자 수 $512^3$, 상자 크기 $4\,h^{-1}$ Mpc, 입자 질량 $3.57 \times 10^4\,h^{-1}\,M_\odot$, 소프트닝 길이 $0.14\,h^{-1}$ kpc인 고해상도 트리-입자-메쉬(기본형) N-body 시뮬레이션.
• 300\,h^{-1} kpc에서 가우시안 스무딩을 적용한 DENMAX 방법을 사용하여 암흑물질 군집를 식별하였다.
• 군집 분포를 기초 물질 분포와 비교하여 군집 질량 함수, 편향 및 군집 성질을 계산하였다.
• 밀도 프로파일은 거듭제곱 법칙 형태 $\rho \propto r^{-\alpha_0}$ 로 피팅하였으며, $\alpha_0$ 는 중심 영역에서 측정하고 질량 및 적색이동에 따라 피팅하였다.
• 스핀 파am터 및 운동량 프로파일은 $\lambda = J M^{3/2} / \sqrt{G |E|}$ 를 통해 계산하였으며, 수정된 로그노멀 함수를 사용하여 프로파일을 피팅하였다.
• 특이 속도는 군집의 정합 운동으로 계산하였으며, 분포는 최소 속도 오프셋 $\epsilon$ 를 포함한 로그노멀 모델로 피팅하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색이동 $z > 6$ 에서 암흑물질 군집의 기초 물질 분포에 비해 편향은 어떻게 되는가?
• RQ2 $z=6-11$ 적색이동 범위에서 저질량 쪽에서 암흑물질 군집 질량 함수의 기울기는 얼마인가?
• RQ3 고적색이동에서 보편적인 암흑물질 밀도 프로파일이 존재하는가, 아니면 군집 질량과 적색이동에 따라 달라지는가?
• RQ4 고적색이동 군집의 스핀 파am터 및 운동량 프로파일은 질량과 적색이동에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 $z=6$ 에서 암흑물질 군집의 일반적인 특이 속도는 얼마이며, 시뮬레이션 해상도와 대규모 모드 누락 여부에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 고적색이동 $z=6-11$ 에서 암흑물질 군집는 기초 물질 분포보다 뚜렷한 편향을 보이며, 편향 인자는 $2-6$ 범위에 있다.
• 군집 질량 함수는 저질량 쪽에서 기울기가 $2.05 \pm 0.15$ 로 나타나 낮은 질량 쪽으로 수밀도가 급격히 증가함을 시사한다.
• 중심 밀도 프로파일 기울기 $\alpha_0$ 는 군집 질량과 적색이동에 따라 $0.4$ 에서 $1.0$ 사이로 변동하며, 경험적 관계 $\alpha_0 = 0.75((1+z)/7.0)^{-1.25}(M/10^7\,M_\odot)^{0.11(1+z)/7.0}$ 로 잘 피팅되며, 분산은 $\pm 0.5$ 이다.
• 군집의 중앙 스핀 파am터 중앙값은 $0.03-0.04$ 이지만, 로그노멀 분산이 약 $\sim 0.4$ 로 매우 크며, 운동량 수합 과정에서 강한 확률적 성격을 나타낸다.
• 특정 운동량이 주어진 값 이하인 질량 비율은 그 값과 평균 특정 운동량의 비율의 약 $0.5$ 배이다.
• 군집의 특이 속도는 $30-40$ km/s를 초과하며, 시뮬레이션에서의 하한선은 $38 \pm 2$ km/s 로 나타나, 대규모 모드 누락이 진정한 값을 증가시킬 수 있음을 시사한다.