[論文レビュー] A Simple Model for the Density Profiles of Isolated Dark Matter Halos

Eli Visbal, Abraham Loeb+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、孤立したダークマターハローおよび楕円銀河の密度プロファイルが、同じ物理的過程である衝突なし重力収縮によって生じると提案している。冷たいプラマーサーフェスの単純化モデルを用いて、径方向および非径方向収縮を解析し、径方向軌道不安定性（ROI）が、CDMハローおよび楕円銀河に類似した浅い内側プロファイルを生じさせることを示している。また、擬似位相空間密度が $\rho/\sigma^3 \propto r^{-1.875}$ とスケーリングされることを示し、宇宙論的シミュレーションと一致する。

ABSTRACT

We explore the possibility that the density profiles of elliptical galaxies and cold dark matter (CDM) halos found in cosmological simulations can be understood in terms of the same physical process, collisionless gravitational collapse. To investigate this, we study a simplified model, the collapse of a perfectly cold Plummer sphere. First, we examine an N-body simulation of this model with particles constrained to purely radial orbits. This results in a final state characterized by a profile slightly steeper than ρ\propto r^{-2} at small radii and behaving as ρ\propto r^{-4} at large radii, which can be understood in terms of simple analytic arguments. Next, we repeat our simulation without the restriction of radial orbits. This results in a shallower inner density profile, like those found in elliptical galaxies and CDM halos. We attribute this change to the radial orbit instability (ROI) and propose a form of the distribution function (DF) motivated by a physical picture of collapse. As evidence of the link between our model and CDM halos, we find that our collapse simulation has a final state with pseudo-phase-space density which scales roughly as ρ/σ^3 \propto r^{-1.875}, like that observed in CDM halos from cosmological simulations (Navarro et al. 2010). The velocity anisotropy profile is also qualitatively similar to that found near the centers of these halos. We argue that the discrepancy at large radii (where CDM halos scale as ρ\propto r^{-3}) is due to the presence of the cosmological background or continued infall. This leads us to predict that the outer CDM halo density profile is not "universal," but instead depends on cosmological environment (be it an underdense void or overdense region).

研究の動機と目的

• 楕円銀河とCDMハローの類似した密度プロファイルが、同じ物理的過程である衝突なし重力収縮から生じるかどうかを調査すること。
• 冷たいプラマーサーフェスが径方向および非径方向収縮を経験する単純化モデルを用いて、この仮説を検証すること。
• 径方向軌道不安定性（ROI）が最終的な密度および非等方性プロファイルに与える影響を調査すること。
• シミュレートされたハロー構造を再現できる物理的根拠を持つ分布関数（DF）を導出すること。
• 外側プロファイルが宇宙論的環境および吸収歴史に依存することを示唆することで、普遍的なCDMハローのプロファイルという概念に挑戦すること。

提案手法

• 径方向軌道に制約された粒子を用いて、冷たいプラマーサーフェスの径方向収縮の結果を調査する。
• 径方向軌道の制約を緩め、非径方向運動を許容することで、径方向軌道不安定性（ROI）を誘発し、浅い内側プロファイルを生成する。
• 物理的直感に基づいて分布関数（DF）を構築：弱い束縛状態の粒子には径方向軌道、強い束縛状態の粒子には等方的運動。
• エネルギー依存項と円軌道項 $h(x,E)$ を組み合わせた関数形を用いて、DFをモデル化する。
• シミュレートされた密度および非等方性プロファイルを、宇宙論的シミュレーションの結果と比較することで、モデルを検証する。
• DFのパラメータを質量やスケール半径などのシステム全体の性質に関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CDMハローおよび楕円銀河の密度プロファイルは、同じ収縮物理学によって説明可能か？
• RQ2 径方向軌道不安定性（ROI）は、収縮系の最終的密度プロファイルにどのように影響するか？
• RQ3 衝突なし収縮に伴うROIを伴う平衡状態を最もよく記述する分布関数（DF）の形は何か？
• RQ4 なぜCDMハローは、孤立系とは異なり、外側プロファイルが $r^{-4}$ よりも浅いか？
• RQ5 擬似位相空間密度のスケーリング $\rho/\sigma^3 \propto r^{-1.875}$ は、衝突なし収縮の普遍的特徴か？

主な発見

• 冷たいプラマーサーフェスが純粋に径方向に収縮すると、小スケールでは $\rho \propto r^{-2}$ よりも急な密度プロファイルとなり、大スケールでは $\rho \propto r^{-4}$ となる。
• 非径方向運動を許容すると、径方向軌道不安定性（ROI）が生じ、外側に浅い内側プロファイルが形成される。これは観測されたCDMハローおよび楕円銀河に類似している。
• シミュレーションされた系の擬似位相空間密度は $\rho/\sigma^3 \propto r^{-1.875}$ とスケーリングされ、宇宙論的CDMシミュレーションで観測されたスケーリング（Navarro et al. 2010）と一致する。
• シミュレーションされたハローの速度非等方性プロファイルは、中心部でCDMハローで観測されたものと定性的に類似している。
• 外側の $\rho \propto r^{-4}$ プロファイルは、宇宙論的吸収がないことによるものであり、実際のハローでは継続的な流入と背景密度の変化により、$\rho \propto r^{-3}$ に変化する。
• 著者らは、CDMハローの外側プロファイルが普遍的ではなく、宇宙論的環境に依存し、希薄な領域では $\rho \propto r^{-4}$ に達する可能性があると予測している。