[논문 리뷰] The universal distribution of halo interlopers in projected phase space. Bias in galaxy cluster concentration and velocity anisotropy?

G. A. Mamon, A. Biviano외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 26.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 40인용 수 67

한 줄 요약

이 논문은 우주론적 N-체 시뮬레이션에서 유도된 93개의 가짜 은하단절에서 투영된 위상공간 내 간섭자 분포를 분석함으로써 허블 흐름이 은하단절 운동학에 미치는 영향을 조사한다. 연구 결과, 허블 흐름은 단지 미미하지만 측정 가능한 편향을 집단 농도 및 속도 이방성 추정치에 유도하며, 이는 속도 컷을 적용하거나 모델링에 일정 배경을 포함시킴으로써 크게 감소됨을 확인한다. 간섭자 효과는 집단 질량에 관계없이 거의 보편적임을 발견한다.

ABSTRACT

When clusters of galaxies are viewed in projection, one cannot avoid picking up foreground/background interlopers (FBIs), that lie within the virial cone (VC), but outside the virial sphere. Structural & kinematic deprojection equations are not known for an expanding Universe, where the Hubble flow (HF) stretches the line-of-sight (LOS) distribution of velocities. We analyze 93 mock relaxed clusters, built from a cosmological simulation. The stacked mock cluster is well fit by an m=5 Einasto DM density profile (but only out to 1.5 virial radii [r_v]), with velocity anisotropy (VA) close to the Mamon-Lokas model with VA radius equal to that of density slope -2. The surface density of FBIs is nearly flat out to r_v, while their LOS velocity distribution shows a dominant gaussian cluster-outskirts component and a flat field component. This distribution of FBIs in projected phase space is nearly universal in mass. A local k=2.7 sigma velocity cut returns the LOS velocity dispersion profile (LOSVDP) expected from the NFW density and VA profiles measured in 3D. The HF causes a shallower outer LOSVDP that cannot be well matched by the Einasto model for any k. After this velocity cut, FBIs still account for 23% of DM particles within the VC (close to the observed fraction of cluster galaxies lying off the Red Sequence). The best-fit projected NFW/Einasto models underestimate the 3D concentration by 6+/-6% (16+/-7%) after (before) the velocity cut, unless a constant background is included in the fit. Assuming the correct mass profile, the VA profile is well recovered from the measured LOSVDP, with a slight bias towards more radial orbits in the outer regions. These small biases are overshadowed by large cluster-cluster variations caused by cosmic variance. An appendix provides an analytical approximation to the surface density, projected mass and tangential shear profiles of the Einasto model.

연구 동기 및 목표

• 확장하는 우주 환경에서 허블 흐름이 선형 속도 성분을 왜곡함으로써 투영된 위상공간(PPS) 내 허브 흐름에 따른 간섭자 분포를 정량화하는 것.
• 표준 2차원 피팅 모델을 사용할 때 허블 흐름이 은하단절의 측정된 농도에 어떤 정도 편향을 유도하는지 평가하는 것.
• 집단의 구조적 및 운동학적 측정치에서 이러한 편향을 줄이기 위해 속도 컷과 배경 모델링의 효과를 평가하는 것.
• 집단 질량 모델링에 적용 가능한, 간섭자 표면 밀도 및 속도 분포에 대한 보편적 모델을 개발하는 것.

제안 방법

• 은하단절 운동학 분석을 위해, 유체역학적 우주론적 시뮬레이션에서 유도된 93개의 안정된 어둠센 물질 홀로를 통합하여 투영된 위상공간 내 평균 간섭자 분포를 연구하는 스택 분석.
• 선형 속도 이동을 모델링하기 위해 허블 흐름을 활용하여, 반경 방향 속도 이격을 기반으로 집단 구성원과 간섭자를 구분하는 방법.
• 간섭자를 제거하기 위해 $κ$ = 2.7 표준편차 속도 컷을 적용하여 선형 속도 분산 프로파일의 편향을 감소시키는 방법.
• NFW 및 아이나스토 밀도 프로파일을 투영된 데이터에 적합시키며, 간섭자 기여를 고려하기 위해 일정 배경 항을 포함하거나 제외한 채로 비교.
• 3차원 진짜 프로파일과 2차원 복원 프로파일을 비교하여 농도 및 속도 이방성의 편향을 정량화하는 방법.
• 집단 부트스트래핑을 사용하여 우주의 변동성과 농도 측정치의 오차 한계를 추정하는 방법.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허블 흐름은 다양한 집단 질량에서 투영된 위상공간 내 간섭자 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 표준 2차원 피팅 모델을 사용할 때, 허블 흐름은 은하단절의 측정된 농도에 어느 정도 편향을 유도하는가?
• RQ3 속도 컷 또는 일정 배경 항의 포함이 농도 및 속도 이방성 추정치의 편향을 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ4 투영된 위상공간 내 간섭자 분포는 질량 또는 환경에 관계없이 보편적인가?
• RQ5 농도 및 이방성의 편향은 코스믹 변동성과 샷 노이즈와 같은 주요 불확실성 원인보다 더 큰가?

주요 결과

• 투영된 위상공간 내 간섭자 표면 밀도는 병합 반경까지 거의 평탄하며, 속도 분포는 주로 가우시안 성분과 평탄한 필드 성분으로 구성되어 있다.
• 속도 컷을 $κ$ = 2.7 표준편차로 적용하면 간섭자의 약 1/6이 제거되며, 선형 속도 분산 프로파일의 편향이 크게 감소한다.
• 속도 컷 후, 최적 피팅된 2차원 NFW 또는 아이나스토 모델은 진짜 3차원 농도를 6 $±$ 6% 낮게 추정한다. 컷 이전에는 16 $±$ 7% 낮게 추정된다.
• 피팅에 일정 배경을 포함시키면 농도 편향이 2배 이상 감소하며, 이중 성분 모델(홀로 + 배경)이 단일 성분 모델보다 우수한 성능을 보인다.
• 선형 속도 분산 프로파일에서 복원된 속도 이방성 프로파일은 상당히 정확하며, 외곽 영역에서 다소의, 그러나 통계적으로 유의미한 정도의 더 높은 경로의 궤도로의 편향이 있다.
• 이러한 편향에도 불구하고, 1000개 이하의 은하를 포함한 일반적인 집단에서는 샷 노이즈와 코스믹 변동성이 허블 흐름의 영향보다 지배적이다.