[논문 리뷰] The Infuence of Omega_baryon on High-Redshift Structure

Jeffrey P. Gardner, Neal Katz외 2명|Digital Access to Scholarship at Harvard (DASH) (Harvard University)|2001. 07. 16.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고적색도에서의 구조 형성에 영향을 미치는 바리온 밀도 파라미터 $\Omega_{\rm baryon}$의 변화를 고려하기 위해 유체역학적 시뮬레이션을 사용한다. 높은 $\Omega_{\rm baryon}$은 가스 냉각을 강화시켜 은하 내 응축된 가스와 항성 질량, 항성 형성률, 그리고 고열량 밀도 흡수(지배적 라이만-알파, 라이만 한계)를 증가시키지만, 라이만-알파 숲은 관측된 투과도에 맞추어 우주적 자외선 배경을 조정한 경우 $\Omega_{\rm baryon}$에 민감하지 않다.

ABSTRACT

We analyze high-redshift structure in three hydrodynamic simulations that have identical initial conditions and cosmological parameters and differ only in the value of the baryon density parameter, Omega_b=0.02, 0.05, 0.125. Increasing Omega_b does not change the fraction of baryons in the diffuse (unshocked) phase of the intergalactic medium, but it increases cooling rates and therefore transfers some baryons from the shocked intergalactic phase to the condensed phase associated with galaxies. Predictions of Lyman-alpha forest absorption are almost unaffected by changes of Omega_b provided that the UV background intensity is adjusted so that the mean opacity of the forest matches the observed value. The required UV background intensity scales as Omega_b^1.7, and the higher photoionization rate increases the gas temperature in low density regions. Damped Lyman-alpha absorption and Lyman limit absorption both increase with increasing Omega_b, though the impact is stronger for damped absorption and is weaker at z=4 than at z=2-3. The mass of cold gas and stars in high-redshift galaxies increases faster than Omega_b but slower than Omega_b^2, and the global star formation rate scales approximately as Omega_b^1.5. In the higher Omega_b models, the fraction of baryonic material within the virial radius of dark matter halos is usually higher than the universal fraction, indicating that gas dynamics and cooling can lead to over-representation of baryons in virialized systems. On the whole, our results imply a fairly intuitive picture of the influence of Omega_b on high-redshift structure, and we provide scalings that can be used to estimate the impact of Omega_b uncertainties on the predictions of hydrodynamic simulations.

연구 동기 및 목표

• 동일한 천체역학적 시뮬레이션에서 오직 이 파rameter만을 변화시켜 $\Omega_{\rm baryon}$ 이 고적색도의 은하계 구조 형성에 미치는 영향을 분리한다.
• $\Omega_{\rm baryon}$ 의 변화가 은하간 매질의 상(확산, 충격, 응축된 상) 구조에 어떻게 영향을 미치는지 정량화한다.
• 관측 가능한 진단 지표—라이만-알파 숲, 지배적 라이만-알파 흡수, 라이만 한계 시스템, 항성 형성률—이 $\Omega_{\rm baryon}$ 의 변화에 얼마나 민감한지 평가한다.
• 유체역학적 시뮬레이션에서 $\Omega_{\rm baryon}$ 의 불확실성으로 인한 오차를 추정하기 위해 주요 천체물리학적 양의 $\Omega_{\rm baryon}$ 함수로의 스케일링 법칙을 유도한다.
• UV 배경이 관측된 평균 투과도에 맞추어 조정된 경우, 라이만-알파 숲이 $\Omega_{\rm baryon}$ 이 변할 때에도 여전히 천체역학 탐사에 안정적인 도구인지 평가한다.

제안 방법

• 초기 조건과 천체역학적 파rameter가 동일한 세 가지 유체역학적 시뮬레이션을 수행하며, 오직 $\Omega_{\rm baryon}$ 만 다름: 0.02, 0.05, 0.125.
• 표준 냉각 어두운 물질 모델을 사용하며, $\Omega_m = 1$, $h = 0.5$, $\sigma_8 = 0.7$, 11.11 $h^{-1}$ Mpc 주기적 상자에 $64^3$ 개의 가스 및 어두운 물질 입자.
• 중력 연장계수를 5 $h^{-1}$ 공진영 킬로파섹으로 설정하고, 복사 냉각, 자외선 배경에 의한 가열, 항성 형성과 피드백을 포함한다.
• 밀도와 온도 기반으로 가스를 확산(충격 없음), 충격(가열된 IGM), 응축(은하 관련) 상으로 분류하여 은하간 매질의 상 구조를 분석한다.
• 시뮬레이션에서 라이만-알파 숲, 지배적 라이만-알파, 라이만 한계 흡수 스펙트럼을 합성하고, $\Omega_{\rm baryon}$ 값 간에 비교한다.
• 관측된 평균 라이만-알파 숲 투과도에 맞추어 시뮬레이션 간에 자외선 배경 강도를 조정하여 흡수 특성 간 공정한 비교를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색도에서 $\Omega_{\rm baryon}$ 을 높일 경우 은하간 매질의 확산 상(비충격)에 있는 바리온 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 관측된 평균 투과도에 맞추어 자외선 배경을 조정한 경우, 라이만-알파 숲 예측은 $\Omega_{\rm baryon}$ 의 변화에 얼마나 민감한가?
• RQ3 $\Omega_{\rm baryon}$ 이 고적색도 은하의 냉각 가스와 항성 질량에 어떤 영향을 미치며, 이 질량들은 $\Omega_{\rm baryon}$ 과 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 $\Omega_{\rm baryon}$ 이 지배적 라이만-알파 및 라이만 한계 흡수 시스템의 빈도에 어떻게 영향을 미치며, 이 의존성은 적색편이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 더 높은 $\Omega_{\rm baryon}$ 모델에서, 허블 반경 내 어둠의 물질 허브에 있는 바리온 비율은 우주 평균 비율을 초과하는가?

주요 결과

• 은하간 매질의 확산(비충격) 상에 있는 바리온 비율은 $\Omega_{\rm baryon}$ 의 변화에 거의 영향을 받지 않는다.
• 높은 $\Omega_{\rm baryon}$ 은 냉각 속도를 증가시켜 충격 IGM 상의 가스를 은하와 관련된 응축 상으로 이동시킨다.
• 관측된 평균 라이만-알파 숲 투과도에 맞추기 위해 필요한 자외선 배경 강도는 약 $\Omega_{\rm baryon}^{1.7}$ 의 비율로 스케일링되며, 이는 고온의 저밀도 영역에서 가스 온도가 증가함을 의미한다.
• 지배적 라이만-알파 흡수의 증가율은 라이만 한계 흡수보다 더 강력하며, $z=2-3$ 에서는 $z=4$ 보다 더 강한 의존성이 있다.
• 고적색도 은하의 냉각 가스와 항성 질량은 $\Omega_{\rm baryon}$ 과 초선형적으로 스케일링되며, 비율은 1에서 2 사이의 거듭제곱 지수를 가지며, 전반적인 항성 형성률은 약 $\Omega_{\rm baryon}^{1.5}$ 의 비율로 스케일링된다.
• 더 높은 $\Omega_{\rm baryon}$ 모델에서는 허브 반경 내 바리온 비율이 우주 평균 비율을 초과하며, 냉각과 가스 역학으로 인해 응집된 시스템에서 바리온이 과잉 표현됨을 나타낸다.