[논문 리뷰] LCDM Correctly Predicts Basic Statistics of Galaxies: Luminosity-Velocity Relation, Baryonic Mass-Velocity Relation, and Velocity Function

Sebastian Trujillo-Gomez, Anatoly Klypin외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고해상도 볼쇼이 어둠 Matter 시뮬레이션과 수량 매칭을 사용하여 표준 ΛCDM 천체론 모델이 빛의 세기-속도, 질량-속도, 속도 함수와 같은 핵심 은하 통계를 성공적으로 예측함을 보여준다. 원형 속도가 50 km s⁻¹ 이상인 은하에 대해서는 관측과 양호한 일치를 보이나, 이 임계값 이하에서는 여전히 격리된 불일치가 존재한다.

ABSTRACT

It has long been regarded as difficult if not impossible for a cosmological model to account simultaneously for the galaxy luminosity, mass, and velocity distributions. We revisit this issue using a modern compilation of observational data along with the most advanced large-scale cosmological simulation of dark matter. We find that the standard cosmological model fits – at least on average – all basic statistics of galaxies with circular velocities Vcirc > 50 km s −1 calculated at ∼10 kpc radius. Besides an SDSS-based r-band luminosity function, our primary observational constraint is the luminosity-velocity relation – which generalizes the Tully-Fisher and Faber-Jackson relations in allowing all types of galaxies to be included, and provides a fundamental benchmark to be reproduced by any theory of galaxy formation. We have compiled data for a variety of galaxies ranging from dwarf irregulars to giant ellipticals. The data present a clear monotonic luminosity-velocity relation from ∼ 50 km s to ∼ 500 km s, with a bend below ∼ 80 km s and a systematic offset between lateand early-type galaxies. For comparison to theory, we make use of our new ΛCDM “Bolshoi” simulation of dark matter, which has unprecedented mass and force resolution over a large cosmological volume, while using an up-todate set of initial conditions. We use an abundance-matching technique to assign rank-ordered galaxy luminosities to the dark matter halos, a procedure which automatically fits the empirical luminosity function and provides a predicted luminosity-velocity relation that can be checked against observations. The adiabatic contraction of dark matter halos in response to the infall of the baryons is included as an optional model ingredient. The resulting predictions for the luminosity-velocity relation are in good agreement with the available data on both early-type and late-type galaxies for the magnitude range from Mr = −14 to Mr = −22. We also compare our predictions for the cold baryon mass of galaxies as a function of circular velocity with the available observations, again finding good agreement except perhaps at the highest Vcirc. Finally, the predicted circular velocity function is in agreement with the galaxy velocity function from 80 to 400 km s, using the HIPASS survey for late-type and SDSS for early-type galaxies. However, in agreement with other recent results, we find that the dark matter halos with Vcirc < 50 km s are much more abundant than observed galaxies with the same Vcirc. Subject headings: cosmology: theory — dark matter — galaxies: halos — galaxies: structure

연구 동기 및 목표

• ΛCDM 모델이 빛의 세기, 질량, 속도 분포와 같은 기본 은하 통계를 동시에 재현할 수 있는지 테스트하는 것.
• 다양한 형상의 은하 성질과 천체론 모델 간의 장기적인 도전 과제를 해결하는 것.
• 현대적 고해상도 어둠 Matter 시뮬레이션과 최신 관측 데이터를 사용하여 ΛCDM 프레임워크의 성능을 평가하는 것.
• 낮은 원형 속도에서 예측된 은하 밀도와 관측된 밀도 간의 격리 원인을 조사하는 것.
• adiabatic 수축이 빛의 세기-속도 관계 예측을 향상시키는 데 미치는 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• 큰 천체론적 체적에서 높은 질량 및 힘 해상도를 갖춘 비례 없는 어둠 Matter 시뮬레이션인 고해상도 볼쇼이 ΛCDM 시뮬레이션을 사용하는 것.
• 관측된 빛의 세기 함수와 일치하도록 순위 기반의 홀로 성질에 기반해 어둠 Matter 홀로에 은하 빛의 세기를 할당하기 위해 수량 매칭을 적용하는 것.
• 은하 물질의 유입에 반응하여 어둠 Matter 홀로의 adiabatic 수축을 물리적 모델 조정으로 포함하여 예측을 향상시키는 것.
• 소형 불규칙 은하에서 거대 타원 은성까지의 관측 데이터와 예측된 빛의 세기-속도 관계와 질량-속도 관계를 비교하는 것.
• 예측된 원형 속도 함수를 구성하고 HIPASS 및 SDSS 설문과 실측 데이터를 비교하는 것.
• 동일한 천체론 모델 내에서 여러 은하 통계에 대해 일관된 프레임워크로 예측을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ΛCDM 모델은 모든 은하 유형에서 관측된 빛의 세기-속도 관계를 동시에 재현할 수 있는가?
• RQ2 특히 높은 및 낮은 원형 속도에서 모델이 질량-속도 관계를 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ3 adiabatic 수축을 포함함으로써 관측과의 일치가 어느 정도 향상되는가?
• RQ4 왜 낮은 원형 속도를 가진 어둠 Matter 홀로의 밀도와 관측된 은하 밀도 사이에 불일치가 존재하는가?
• RQ5 예측된 속도 함수는 HIPASS 및 SDSS와 같은 대규모 설문의 실측과 일치하는가?

주요 결과

• 볼쇼이 시뮬레이션과 수량 매칭을 사용한 ΛCDM 모델은 원형 속도가 약 50에서 500 km s⁻¹인 은하의 빛의 세기-속도 관계를 성공적으로 예측한다.
• 예측된 빛의 세기-속도 관계는 Mr = −14에서 Mr = −22의 범위에서 초기형 및 후기형 은하 모두에서 관측과 잘 일치한다.
• 모델이 예측한 질량-속도 관계는 관측과 합리적으로 잘 일치하지만, 가장 높은 원형 속도에서 약간의 예외가 있을 수 있다.
• 80에서 400 km s⁻¹ 사이의 예측된 원형 속도 함수는 HIPASS 및 SDSS에서 측정된 실측 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• Vcirc ≈ 50 km s⁻¹ 이하에서는 어둠 Matter 홀로의 수가 관측된 은하보다 훨씬 많다는 심각한 불일치가 여전히 존재한다.
• adiabatic 수축을 포함함으로써 빛의 세기-속도 관계에 대한 모델의 일치성이 향상되었지만, 이는 이미 그 자체로도 강한 일치를 보이고 있었다.