[论文解读] Compact Groups in GDM Cosmological Simulations

Jessica N. López-Sánchez, Erick Munive-Villa+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 68被引用 2

一句话总结

本研究通过广义暗物质（GDM）模型的N体模拟，调查了 Hickson 一类致密星系群（HCGs）的形成。该GDM模型在冷暗物质（CDM）基础上引入了声速、黏滞系数和状态方程的自由函数。尽管小尺度子结构被抑制，GDM模拟产生的HCG数量仍多于CDM，表明其聚类机制已被修改；然而，模拟得到的速度弥散仍显著低于观测值。

ABSTRACT

In this work, we study some properties of the Hickson Compact Groups (HCGs) using N-body simulations for the Generalized Dark Matter (GDM) model, described by three free functions, the sound speed, the viscosity and the equation of state. We consider three GDM models associated with different values of the free functions to neglect collisional effects. We constructed the initial seeds of our simulations according to the matter power spectrum of GDM linear perturbations, which hold a cut-off at small scales, and explored their effects on the non-linear structure formation at small and intermediate scales. We generated mock catalogues of galaxies for different models and classify HCGs by implementing an algorithm that adapts the original selection method for mock catalogues. Once the HCGs samples are classified, we analyzed their properties and compared them between models. We found that a larger amount of HCGs are counted in GDM simulations in comparison to CDM counts. This difference suggests that HCGs can proliferate within GDM despite the suppressed substructure, which indicates a possible modification in the HCG formation process within models where DM is not perfectly like CDM. Additionally, we identified different mechanisms of clustering, for models with a large amount of galaxy-halos self-agglomerate because of their abundance while models with fewer galaxy-halos need massive halos acting as a dominant potential well. Finally, by comparing distributions of different observables of simulated HCGs against observations, we found a good agreement in the intrinsic properties. However, a discrepancy in the velocity dispersion remains unsolved.

研究动机与目标

• 探讨具有非零声速和黏滞性的广义暗物质（GDM）模型如何影响Hickson致密星系群（HCGs）的形成与性质，相较于标准CDM模型。
• 研究GDM模型中对小尺度结构的抑制是否改变HCG的数量与聚类机制。
• 将模拟得到的HCG属性（如质量、密度、速度弥散和穿越时间）与观测数据进行比较，以评估模型的可行性。
• 分析GDM与CDM模型中HCG数量的红移演化，识别形成峰值与时间趋势。
• 识别不同GDM模型中主导的聚类机制，特别是自聚集与势阱主导聚类的差异。

提出的方法

• 利用GDM的线性物质功率谱构建初始条件，其因非零声速而在小尺度上出现截止。
• 对三种具有不同声速、黏滞性和状态方程的GDM模型进行N体模拟，同时进行标准CDM模拟作为对比。
• 采用类似晕占有分布（HOD）的方法，从晕粒子生成模拟星系星表，将星系分配至晕中。
• 应用原始Hickson选择算法的改进版本对HCG进行分类，使用孤立性、紧凑性以及质量比（N ≥ 4 或 N = 3）等标准。
• 使用核密度估计与直方图比较，评估模拟与观测中HCG在质量、密度、速度弥散和穿越时间分布上的符合程度。
• 追踪从 z = 6 到 z = 0 的红移区间内HCG数量的变化，研究其时间演化与形成峰值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小尺度结构被抑制的GDM模型中，Hickson致密星系群（HCGs）的数量相较于CDM是更多还是更少？
• RQ2 在不同子结构抑制程度的GDM模型中，主导的聚类机制是什么？
• RQ3 模拟得到的HCG内在属性（质量、密度、速度弥散、穿越时间）与观测结果相比如何？
• RQ4 在GDM与CDM模型中，HCG数量在哪个红移达到峰值？两者的形成历史有何不同？
• RQ5 为何模拟得到的HCG速度弥散始终显著低于观测值？该差异是否具有模型依赖性？

主要发现

• 尽管子结构更少，GDM I 模拟产生的HCG数量仍多于CDM，表明HCG的形成并非完全依赖于高子结构丰度。
• GDM III 模拟从一开始就显著产生更少的HCG，表明高黏滞性与高声速会抑制星系群的形成，使其成为与观测最不一致的模型。
• 对于 N = 4 的情况，GDM I 的HCG数量多于CDM，而GDM II 与CDM相当；对于 N = 3 的情况，CDM 占主导，GDM I 与GDM II 紧随其后，而GDM III 明显偏低。
• 模拟得到的HCG在质量和密度分布上与观测结果高度一致，1D与2D直方图及核密度估计均支持该结论。
• 速度弥散方面存在持续的不一致：模拟值始终低于观测HCG，该结果与先前研究一致，且本工作未能解决该问题。
• CDM、GDM I 与 GDM II 的HCG数量在相似红移（~z ≈ 0）达到峰值，且在峰值前呈现平坦演化阶段；而GDM III 呈现微弱增长，始终维持在低数量水平。