[論文レビュー] A simple model of the hierarchical formation of galaxies

B. Hoeneisen|ArXiv.org|Sep 5, 2000

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、線形摂動理論とフーリエモードの時間発展を用いて、階層的銀河形成の高速で連続的密度モデルを提示する。このモデルは、Tully-Fisher関係、Schechterの光度関数、銀河のクラスタリングといった主要な観測結果と定量的に一致し、宇宙論的パラメータの制約を可能にする：95%信頼水準でΩ₀ > 0.25、1.1 − 0.3Ω₀ < n < 1.4 − 0.2Ω₀であり、最良の適合はΩ₀ = 1.0、n = 1.00で達成される。

ABSTRACT

We develop a simple, fast and predictive model of the hierarchical formation of galaxies which is in quantitative agreement with observations. Comparing simulations with observations we place constraints on the density of the universe and on the power spectrum of density fluctuations.

研究の動機と目的

• N体シミュレーションの高コストなリソース要件を回避する、計算的に効率的で予測可能な銀河形成モデルの開発。
• 連続的密度場アプローチに線形成長と球対称収縮を組み合わせることで、銀河形成における主要な観測的関係を再現できるかの検証。
• 観測された銀河分布および運動論的特性との比較を通じて、宇宙論的パラメータΩ₀、n、Aの制約。
• 個々の粒子の時間ステップをとらずに、合体と質量集積を含む銀河形成の階層的性質の探求。

提案手法

• モデルは、フーリエモードに展開された連続的密度場を用い、臨界的で物質支配の宇宙における重力的収縮下での線形摂動の時間発展を扱う。
• 銀河形成は、線形密度対比δ_cがδ_m = 1.69に達したときに開始され、非線形収縮の始まりに対応する。
• δ_c(𝐱, t)の局所的最大値にあり、かつδ_c ≥ 1.69を満たす点に銀河を配置し、その質量とサイズはフーリエモードのスケールによって決定される。
• パワースペクトルP(k) = A w^n / (1 + ηw + w²)²を用い、w = k/k_eqとすることで、スケール不変(n=1)および他の初期フラクチュエーション形態を可能にする。
• 特異速度と銀河のずれは線形近似で計算され、銀河-銀河相関は密度ピークの空間的クラスタリングによってモデル化される。
• モデルは、Tully-Fisher、Faber-Jackson、Schechter関数といった観測的関係と比較することで、シミュレートされた銀河の性質（光度、速度、クラスタリング、カウント）の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フーリエモードに基づく連続的モデルは、粒子ベースのシミュレーションを用いずに、観測されたTully-Fisher関係およびFaber-Jackson関係を再現できるか？
• RQ2 このモデルは、観測されたSchechterの光度関数および銀河クラスタリングの強度をどの程度再現できるか？
• RQ3 COBE正規化されたCMBフラクチュエーションと銀河カウント分散と比較した場合、モデルはΩ₀、n、Aにどのような制約を課すか？
• RQ4 このモデルは、L*銀河の特異速度と円運動速度をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 モデルは、宇宙定数を伴う低密度宇宙Ω₀を支持するか、それとも平坦でΩ₀ = 1.0の宇宙を支持するか？

主な発見

• モデルは、Tully-Fisher関係、Faber-Jackson関係、銀河-銀河相関関数について、定量的整合性を達成しており、最良の適合はΩ₀ = 1.0、n = 1.00、χ²/dof = 3.2/4で得られた。
• 95%信頼水準でΩ₀ > 0.25の制約が得られ、Ω_Λ = 0およびN_eff = 3.36の下で、1.1 − 0.3Ω₀ < n < 1.4 − 0.2Ω₀の推奨範囲が得られた。
• Ω₀ = 0.3、Ω_Λ = 0.7の低密度で平坦な宇宙も観測と整合的ではあるが、Ω₀ = 1.0のモデルよりはやや不適切である。
• モデルは、L*銀河の中央速度v_c* ≈ 120 km/sの中央値と、rms特異速度⟨v_pec⟩_rms ≈ 100 km/sを予測し、観測値と一致する。
• シミュレートされた銀河数はΩ₀とnに強く依存し、Ω₀ = 1.5、n = 1.5で最高の1668個、低Ω₀と高nで最低の0個を記録した。
• モデルはSchechterの光度関数と銀河カウントフラクチュエーションを成功裏に再現し、最良適合シミュレーションではδN/N ≈ 0.74となった。