[논문 리뷰] ISIS: a new N-body cosmological code with scalar fields based on RAMSES. Code presentation and application to the shapes of clusters

Claudio Llinares, David F. Mota외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 25.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 42인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 RAMSES 기반으로 구축된 새로운 N체 우주론적 코드인 ISIS를 제시하며, 스크리닝 메커니즘을 포함한 스칼라-텐서 중력 이론을 통합하여 군집 규모의 어둠마 은하 형성에 영향을 미치는 수정 중력 효과를 시뮬레이션한다. 연구 결과, 시메트론 및 $f(R)$ 중력 모델은 $\Lambda$CDM에 비해 어둠마 은하 형성의 타원도를 증가시키며, 특히 장거리 제5력이 작용할 경우 $f(R)$ 모델은 반직관적인 경향을 보이며 더 둥근 형태를 띠게 되는데, 이는 정적인 예측과 일치하지만 새로운 시간에 따른 진화 효과를 드러낸다.

ABSTRACT

Several extensions of the standard cosmological model include scalar fields as new degrees of freedom in the underlying gravitational theory. A particular class of these scalar field theories include screening mechanisms intended to hide the scalar field below observational limits in the solar system, but not on galactic scales, where data still gives freedom to find possible signatures of their presence. In order to make predictions to compare with observations coming from galactic and clusters scales (i.e. in the non-linear regime of cosmological evolution), cosmological N-body simulations are needed, for which codes that can solve for the scalar field must be developed. We present a new implementation of scalar-tensor theories of gravity which include screening mechanisms. The code is based in the already existing code RAMSES, to which we have added a non-linear multigrid solver that can treat a large class of scalar tensor theories of modified gravity. We present details of the implementation and the tests that we made to it. As application of the new code, we have studied the influence that two particular modified gravity theories, the symmetron and $f(R)$ gravity, have on the shape of cluster sized dark matter halos and found consistent results with previous estimations made with a static analysis.

연구 동기 및 목표

• 스크리닝 메커니즘을 가진 스칼라-텐서 중력 이론에 적합한 비선형 다중격자 해법기를 개발하여, 우주론적 N체 시뮬레이션에 적용할 수 있도록 한다.
• $\Lambda$CDM를 초월한 수정 중력 이론에서 대규모 구조 형성의 정확한 예측을 가능하게 한다.
• 시메트론 및 $f(R)$ 중력 모델에서 어둠마 은하 형성의 형태에 시간에 따른 진화가 미치는 영향을 연구한다.
• 기존 코드들과 보완되며 독립적인 구현을 통해 강건성을 향상시키는 새로운 시뮬레이션 도구를 제공한다.

제안 방법

• 스크리닝 메커니즘을 가진 스칼라-텐서 이론의 스칼라 장 방정식을 다룰 수 있도록 RAMSES 코드에 비선형 다중격자 해법기를 확장한다.
• 준정적 근사 아래 중력 포텐셜 $\Phi$, 스칼라 장 $\phi$, 입자 궤적의 연립 방정식을 해결한다.
• 자유형 함수 $S(\phi, \rho, a)$ 및 $\mathbf{g}(\phi, \nabla\phi, a)$를 사용하여 다양한 수정 중력 모델에 광범위하게 적용 가능하도록 한다.
• 계산 비용을 줄이기 위해 정적 근사를 적용하면서도 고해상도 시뮬레이션에 유연성을 유지한다.
• 스칼라 장 프로파일과 힘 수렴성 테스트를 통해 코드의 수치적 안정성을 검증한다.
• 시메트론 및 $f(R)$ 중력 모델에서 군집 규모의 어둠마 은하 형성에 대한 우주론적 시뮬레이션을 수행하고, $\Lambda$CDM와의 형태 비교를 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라-텐서 중력 이론에서 제5력의 포함이 비선형 영역에서 어둠마 은하 형성의 형태 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 시메트론 및 $f(R)$ 중력 이론의 스크리닝 메커니즘이 $\Lambda$CDM에 비해 군집 규모의 어둠마 은하 형성의 타원도를 어느 정도 변화시키는가?
• RQ3 스칼라 장과 물질 분포의 시간 진화가 어둠마 은하 형태에 정적 예측과의 이탈을 초래하는가?
• RQ4 $f(R)$ 중력 모델에서 제5력의 범위가 어둠마 은하 형성의 최종 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시메트론 모델에서 형태 효과의 질량 의존성은 서로 다른 매개변수 영역을 식별하는 데 도움이 될 수 있는가?

주요 결과

• 시메트론 모델은 $\Lambda$CDM에 비해 어둠마 은하 형성의 타원도를 증가시키며, 이는 이전의 해석적 추정과 일치하며 군집 형태에서 검출 가능한 서식을 나타낸다.
• $f(R)$ 중력 이론에서는 제5력이 장거리일 경우 어둠마 은하 형성이 $\Lambda$CDM에 비해 약간 더 둥글어지는 반직관적인 결과를 보이며, 이는 정적 분석에서는 예측되지 않았다.
• 스칼라 장과 물질 분포의 시간 진화는 시메트론 및 $f(R)$ 모델 모두에서 정적 가정에 비해 더 높은 타원도를 유도하며, 이는 동역학적 진화의 중요성을 확인한다.
• 코드의 구현은 비선형 스칼라 장 행동과 제5력 효과를 성공적으로 포착하였으며, 다양한 해상도 및 매개변수 설정에서 결과가 안정함을 입증하였다.
• 시메트론 모델에서 형태 효과의 질량 의존성은 매개변수 공간 전반에서 다양하게 나타나며, 스케일링 관계를 통해 모델 간 식별 가능성이 제기된다.
• 결과는 군집의 타원도가 스칼라-텐서 이론을 제약하는 데 사용될 수 있으며, 특히 유체역학 효과와 렌즈 통계와 조합할 경우 더욱 유용할 수 있음을 시사한다.