[論文レビュー] Cosmic Structure Formation at High Redshift

Ilian T. Iliev, Kyungjin Ahn+3 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、高赤方偏移（z ≈ 30）における初期宇宙の構造形成を高解像度N体シミュレーションで検証し、広く用いられているSheth-Tormenホールマス関数が、とくにz ≈ 30においてレアホールの存在頻度を過大評価していることを明らかにした。シミュレーションはまた、ミニホールの数密度が局所的物質過密度と相関しているが、その散らばりは赤方偏移とともに増大しており、拡張されたPress-Schechterモデルは概ね妥当な適合を示すが、常に正確ではないことを示している。

ABSTRACT

We present some preliminary results from a series of extremely large, high-resolution N-body simulations of the formation of early nonlinear structures. We find that the high-z halo mass function is inconsistent with the Sheth-Tormen mass function, which tends to over-estimate the abundance of rare halos. This discrepancy is in rough agreement with previous results based on smaller simulations. We also show that the number density of minihaloes is correlated with local matter density, albeit with a significant scatter that increases with redshift, as minihaloes become increasingly rare. The average correlation is in rough agreement with a simple analytical extended Press-Schechter model, but can differ by up to factor of 2 in some regimes.

研究の動機と目的

• 大規模かつ高解像度のシミュレーションを用いて、高赤方偏移領域（z ≈ 30–8）におけるSheth-Tormenホールマス関数の正確性を調査すること。
• 高赤方偏移における、ミニホールの数密度と局所的物質過密度の相関関係を、低密度および高密度領域で検討すること。
• 初期宇宙の構造において、ホールバイアスを予測するための拡張Press-Schechterモデルの妥当性を評価すること。
• ホール–密度関係の散らばりの大きさと赤方偏移依存性を定量化し、半アナリティカルな再電離モデルに与える影響を明らかにすること。
• 初期構造形成の宇宙論的シミュレーションにおける小スケールモデルの検証に用いる高動的レンジのデータセットを提供すること。

提案手法

• 2/h Mpcから3.2/h Gpcのボックスサイズで、最大1650億粒子（5488³）を用い、CubePMコードを用いてN体シミュレーションを実施した。
• 平均密度の178倍を閾値とする球対称過密度ホール検出器を採用し、粒子グリッドの2倍の解像度を持つグリッド上で粒子補間を実行した。
• 少なくとも20個の粒子を持つ対象（最小解像質量 ≈ 10³–10¹² M☉）をホールとして定義し、z=8では50個未満、それ以上の赤方偏移では100個未満のホールは除外した。
• 2次補間とバーリアル半径推定を用いてホールの性質（質量、中心、速度分散など）を計算した。
• ホール多重関数 (M²/ρ̄)(dn/dM) を計算し、Sheth-TormenおよびPress-Schechterの解析的モデルと比較した。
• 440/h kpcのサブボリュームを用い、局所的過密度（1+δ）ごとのミニホール（M < 10⁸ M☉）の数密度を、拡張Press-Schechter予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模N体シミュレーションから得られた高赤方偏移ホールマス関数は、Sheth-Tormen解析的フィットとどのように異なるか？
• RQ2 z ≈ 8–30におけるミニホールの数密度は、局所的物質過密度とどの程度相関しているか。その相関関係はどのように進化するか？
• RQ3 高赤方偏移宇宙におけるホール–密度バイアス関係を予測するための拡張Press-Schechterモデルの正確性はどの程度か？
• RQ4 ミニホール–密度相関の散らばりの大きさと赤方偏移依存性は何か。また、半アナリティカルモデルにどのような影響を及えるか？
• RQ5 シミュレーションボリュームと解像度は、高赤方偏移におけるホール密度およびバイアス測定の統計的信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• Sheth-Tormenマス関数は、高赤方偏移において、とくにz ≈ 30で、まれなホールの存在頻度を過大評価しており、最大で10倍の差が生じる。
• z ≈ 8では、Sheth-Tormen関数は質量の大きなホール（M > 10⁹ M☉）の数密度を数倍過大に予測しているが、古典的Press-Schechter関数はこの赤方偏移でより良い適合を示す。
• ミニホール（M < 10⁸ M☉）の数密度は局所的過密度と相関しているが、赤方偏移とともに増大する顕著な散らばりを示している。
• 拡張Press-Schechterモデルはホール–密度関係に対して平均的に妥当な適合を示すが、特定の赤方偏移および過密度領域では最大で2倍のずれを示すことがある。
• ミニホール–密度相関の散らばりは絶対値では概ね一定であるが、特にz ≈ 8で密度動的レンジが拡大するため、相対値としては増大する。
• 同じ解像度で6.3/h Mpcおよび20/h Mpcの異なるボリュームのシミュレーションから得られた平均バイアス関係は良好に一致しており、高赤方偏移においてボリューム効果に対して頑健であることが示された。