[論文レビュー] Formation rate of gravitational structures and the cosmic X-ray background radiation

Tetsu Kitayama, Yasushi Suto|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 5被引用数 48

ひとこと要約

この論文は、Lacey & Cole (1993) の合体確率を用いて、初期のガウス型揺らぎから重力的に束縛された構造の形成および破壊率の解析的表現を導出し、銀河団のX線放射を予測する。低Ω₀のコールドダークマター宇宙（Ω₀ ≈ 0.2、λ₀ = 1−Ω₀、h ≈ 0.8）において、銀河団が観測されたソフトコズミックX線背景の顕著な割合を占められることを示しており、COBE正規化および観測的制約と整合的である。

ABSTRACT

Analytical expressions for the rates of formation and destruction of gravitationally bound systems are derived assuming that they are originated from primordial random-Gaussian density fluctuations. The resulting formulae reproduce the time derivative of the Press-Schechter mass function in a certain limit. Combining a theoretical model for the evolution of structures with the formation rate, we can make various cosmological predictions which are to be compared with observations. As an example to elucidate such applicability, we evaluate the contribution of clusters of galaxies to the cosmic X-ray background radiation. With the {\it COBE} normalization, we find that the significant fraction of the observed soft X-ray background is accounted for by clusters of galaxies in a cold dark matter universe with $Ω_0 \sim 0.2$, $λ_0 =1- Ω_0$ and $h \sim 0.8$.

研究の動機と目的

• 初期のガウス型揺らぎに基づく、準拠状態の構造の形成および破壊率を解析的フレームワークとして開発すること。
• プレス＝シェクター質量関数の時間微分が一意に表現できない問題を解消するため、形成率と破壊率を分離することで、プレス＝シェクター関数の改善を図ること。
• 導出された形成率を応用し、特にソフトバンドにおいて、銀河団が宇宙X線背景（XRB）に与える寄与を予測すること。
• ASCAなどの観測データおよび流体力学的シミュレーションと、銀河団X線放射の予測が整合するかを検証すること。
• 特にΩ₀およびλ₀を変化させたモデルにおいて、銀河団X線放射の宇宙論的意味を評価すること。

提案手法

• Lacey & Cole (1993) や Bower (1991) の合体確率を用い、ガウス確率場における階層的クラスタリングをモデル化することで、形成および破壊率を導出する。
• 小規模なハローの合体によって形成されるハローの確率を統合することで、質量および赤方偏移の関数としての形成率を定式化する。
• 時間微分されたプレス＝シェクター質量関数をベンチマークとして用いるが、符号の曖昧さのため、直接的に形成率を表すことはできないことを示す。
• 重力的ポテンシャルの成長に基づき、団内ガスおよびX線輝度の進化をモデル化する。輝度はハロー質量の進化を追うものとする。
• COBE DMR 2年分のデータを用いてパワースペクトルを正規化し、観測された大規模構造と一致させる。
• 理論的XRB予測をASCA観測およびKang et al. (1994) の流体力学的シミュレーションと比較し、妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プレス＝シェクター質量関数の時間微分を、準拠状態の構造の形成率の代理として信頼して使用できるか？
• RQ2 ガウス確率場および合体確率の第一原理から導かれる束縛系の形成および破壊率の解析的表現は何か？
• RQ3 異なる宇宙論的モデルにおいて、銀河団はソフトコズミックX線背景にどの程度寄与するか？
• RQ4 銀河団X線放射の予測は、ASCA観測および流体力学的シミュレーションとどの程度一致するか？
• RQ5 X線背景観測は、CDMフレームワークにおけるΩ₀およびλ₀といった宇宙論的パラメータにどのような制約を課すか？

主な発見

• 合体確率に基づいて導出された束縛系の形成率は、時間微分されたプレス＝シェクター関数とは異なり、物理的に整合的である。後者は負の値を取り得るため、真の形成率とは言えない。
• Ω₀ ≈ 0.2、λ₀ = 1−Ω₀、h ≈ 0.8 の空間的に平坦なCDMモデルにおいて、銀河団は観測されたソフトX線背景放射の顕著な割合を占められる。
• Ω₀ = 1 のモデルでは観測されたX線強度を過剰に予測し、観測と矛盾することが示された。
• Ω₀ ≈ 0.2 のオープンCDMモデルでは、銀河団の寄与が無視できるほど小さく、他の源（例：クェーサー）がXRBを支配している必要がある。
• X線輝度関数およびXRBスペクトルに関する解析的予測は、流体力学的シミュレーションおよびASCA観測と合理的に一致しており、モデルの妥当性を支持する。
• 本研究は、銀河団形成歴およびガス進化モデルの重要性を強調しており、団内媒体の進化に関する不確実性が理論的誤差の最大要因であると指摘している。