[論文レビュー] Cosmological Structure Formation

Joel R. Primack|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、CMB、大規模構造、銀河クラスタリング、重力レンズ効果からの観測と一致するという点で、ΛCDM宇宙論モデルが宇宙構造形成を説明する成功についてレビューしている。ΛCDMは、ダークマターのハロー、準惑星的構造、銀河の進化の分布を正確に予測しているが、矮星銀河の回転曲線のような小スケールでの継続的な課題については、追加のバリオン物理学や代替のダークマターモデルを要する可能性があると指摘している。

ABSTRACT

LCDM is remarkably successful in predicting the cosmic microwave background and large-scale structure, and LCDM parameters have been determined with only mild tensions between different types of observations. Hydrodynamical simulations starting from cosmological initial conditions are increasingly able to capture the complex interactions between dark matter and baryonic matter in galaxy formation. Simulations with relatively low resolution now succeed in describing the overall galaxy population. For example, the EAGLE simulation in volumes up to 100 cubic Mpc reproduces the observed local galaxy mass function nearly as well as semi-analytic models. It once seemed that galaxies are pretty smooth, that they generally grow in size as they evolve, and that they are a combination of disks and spheroids. But recent HST observations combined with high-resolution hydrodynamic simulations are showing that most star-forming galaxies are very clumpy; that galaxies often undergo compaction which reduces their radius and increases their central density; and that most lower-mass star-forming galaxies are not spheroids or disks but are instead elongated when their centers are dominated by dark matter. We also review LCDM challenges on smaller scales: cusp-core, "too big to fail," and substructure issues. Although starbursts can rapidly drive gas out of galaxy centers and thereby reduce the dark matter density, it remains to be seen whether this or other baryonic physics can explain the observed rotation curves of the entire population of dwarf and low surface brightness galaxies. If not, perhaps more complicated physics such as self-interacting dark matter may be needed. But standard LCDM appears to be successful in predicting the dark matter halo substructure that is now observed via gravitational lensing and breaks in cold stellar streams, and any alternative theory must do at least as well.

研究の動機と目的

• 大スケールおよび小スケールの宇宙構造形成を説明するΛCDMモデルの頑健性を評価すること。
• 重力レンズ効果と星の流れを用いた観測的証拠を通じて、ダークマター準惑星的構造の存在を評価すること。
• 特に矮星銀河および低表面輝度銀河において、ΛCDMの予測と観測との間に生じる不一致を調査すること。
• バリオン物理学がダークマターの密度分布をどのように修正し、小スケールの課題を解消するかを検討すること。
• ダークマターとダークエネルギーの優位性を強調する観点から、ΛCDMモデルに「ダブルダーク理論」というより直感的な名称を提唱すること。

提案手法

• ミレニアム-Iおよびミレニアム-IIを含む、高解像度のN体および流体力学的シミュレーションを用いて、ダークマターのハロー形成と銀河クラスタリングをモデル化すること。
• CMB（プランク）、リューマン＝アルファフォレスト、銀河サーベイ（SDSS）、弱レンズ効果、クラスタ観測からの観測データと理論的予測を比較すること。
• 質量分布のマッピングと準惑星的構造の検出のため、重力レンズ効果技術（銀河-銀河レンズ、時間遅れ測定）を応用すること。
• 表面密度の揺らぎを介して準惑星的ハローの存在を推定する動的におとなりの星の流れの分析。
• ガイアのアストロメトリーデータを用いて、ミルキーウェイのハローにおける星の運動をマッピングし、準惑星的構造を制約すること。
• マクロレンズ効果調査（例：MACHO、OGLE）を用いて、コンパクトな天体が銀河ハローの主要なダークマター寄与要因でないことを検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ΛCDMモデルは、すべてのスケールで観測された宇宙密度フラクチュエーションのパワースペクトルをどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 重力レンズ効果と星の流れの観測は、ΛCDMが予測するダークマター準惑星的構造の存在を確認できるか？
• RQ3 なぜ観測された矮星銀河および低表面輝度銀河の回転曲線がΛCDMの予測と逸脱しているのか？また、バリオンフィードバックはこの不一致を解消できるか？
• RQ4 非ガウス型初期条件または代替のダークマターモデルは、冷たいスポットや高赤方偏移の巨大クラスタといった大スケールの異常を説明するために必要か？
• RQ5 「ダブルダーク理論」という用語は、ΛCDMモデルをより直感的かつ正確に記述するための適切な記述語として機能できるか？

主な発見

• 6パラメータのΛCDMモデルは、2015年のプランクCMBデータを含む、すべての主要な宇宙論的観測に、1%未満の不確実性で適合し、Ω_total = 1.00、h = 0.6774 ± 0.0046、σ8 = 0.816 ± 0.009 を得た。
• 初期のパワースペクトルは、スペクトル指数ns = 0.968 ± 0.006 であるほぼスケール不変な断熱スペクトルと一致しており、単一場インフレーションを支持する。
• 低赤方偏移および高赤方偏移における銀河-銀河相関関数は、ΛCDMの予測と一致しており、構造進化におけるモデルの頑健性を確認している。
• 重力レンズ効果と星の流れの観測は、ダークマター準惑星的構造の存在に強い証拠を提供しており、流れの表面密度揺らぎが準惑星的ハローの影響を模擬したシミュレーションと一致している。
• マクロレンズ効果調査は、ミルキーウェイのハローにおいて、0.6×10⁻⁷から15 M☉の質量範囲のMACHOが主要なダークマター寄与要因でないことを除外した。
• Ia型超新星の明るさに異常な歪度が見られないことから、10⁻²から10¹⁰ M☉の範囲の巨大コンパクトハローオブジェクトが主要なダークマター成分でないことが裏付けられた。