[论文解读] Concentrations and Assembly Histories of Dark Matter Halos

Risa H. Wechsler, James S. Bullock+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文建立了暗物质晕浓度与质量组装历史之间的紧密、普适相关性，表明在任意宇宙时空中，晕的浓度主要由其形成时间决定，关系式为 $ c_{\text{vir}} = c_1 a_o / a_c $。该关系解释了晕浓度的质量和红移依赖性，并说明了相同质量晕浓度观测值中大部分离散性的成因。

ABSTRACT

We study the relation between the density profiles of dark matter halos and their mass assembly histories, using a statistical sample of halos in a high-resolution N-body simulation of the LCDM cosmology. For each halo at z=0, we identify its merger-history tree, and determine concentration parameters c_vir for all progenitors, thus providing a structural merger tree for each halo. We fit the mass accretion histories by a universal function with one parameter, the formation epoch a_c, defined when the log mass accretion rate dlog M/doga falls below a critical value. We find that late forming galaxies tend to be less concentrated, such that c_vir ``observed'' at any epoch a_obs is strongly correlated with a_c via c_vir=c_1 a_obs/a_c. Scatter about this relation is mostly due to measurement errors in c_vir and a_c, implying that the actual spread in c_vir for halos of a given mass can be mostly attributed to scatter in a_c. Because of the direct connection between halo concentration and velocity rotation curves, and because of probable connections between halo mass assembly history and star formation history, the tight correlation between these properties provides an essential new ingredient for galaxy formation modeling.

研究动机与目标

• 理解相同质量暗物质晕浓度离散性的物理解释。
• 研究在 ΛCDM 宇宙学中，晕的密度剖面与其质量吸积历史之间的关联。
• 量化通过吸积率斜率定义的晕形成时间如何决定浓度。
• 为星系形成建模开发一个将浓度与形成时相联系的普适函数形式。

提出的方法

• 在 $ \Omega_m = 0.3 $，$ h = 0.7 $，$ \sigma_8 = 1.0 $ 的平坦 ΛCDM 宇宙中，使用 ART 代码进行高分辨率 N体模拟。
• 在 60 $ h^{-1} $ Mpc 的盒子中，从 $ z = 40 $ 到 $ z = 0 $ 跟踪 $ 256^3 $ 个冷暗物质粒子，生成 36 个红移快照的晕目录。
• 测量具有 >200 个粒子的晕（$ M > 2.2 \times 10^{11} h^{-1} M_\odot $）的 NFW 密度剖面，并为每个晕计算 $ c_{\text{vir}} = R_{\text{vir}} / R_s $。
• 通过向后追踪前体，构建约 3000 个晕的完整结构并合树，并在每个时相确定 $ c_{\text{vir}} $。
• 使用函数形式 $ M(a) = M_o \exp\left[ -a_c S (a_o/a - 1) \right] $ 拟合质量吸积历史，将 $ a_c $ 定义为满足 $ d\log M / d\log a < S $ 的尺度因子。
• 推导出普适关系 $ c_{\text{vir}} = c_1 a_o / a_c $，其中 $ c_1 \approx 4.1 $，并在不同红移和质量下验证其有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗物质晕的质量组装历史如何影响其浓度参数？
• RQ2 在固定质量下，晕浓度的离散性是否可由形成时间的差异来解释？
• RQ3 是否存在一个普适函数形式，能将不同红移和质量下的晕浓度与形成时相联系起来？
• RQ4 在给定时相下，浓度在多大程度上取决于晕的吸积历史？
• RQ5 通过吸积率斜率定义的形成时间 $ a_c $ 与可观测浓度 $ c_{\text{vir}} $ 之间有何相关性？

主要发现

• 在任意时相 $ a_o $，浓度参数 $ c_{\text{vir}} $ 与形成时相 $ a_c $ 紧密相关，遵循 $ c_{\text{vir}} = c_1 a_o / a_c $，其中 $ c_1 \approx 4.1 $。
• 固定质量晕的 $ c_{\text{vir}} $ 离散性主要源于 $ a_c $ 的离散性，而非给定形成时间下浓度的内在离散性。
• 关系式 $ c_{\text{vir}} = c_1 a_o / a_c $ 准确描述了研究范围内所有晕质量与红移下浓度的依赖性。
• 形成较晚的晕系统性地更不集中，随着 $ a_c $ 增大，$ c_{\text{vir}} $ 减小。
• 函数形式 $ M(a) = M_o \exp\left[ -a_c S (a_o/a - 1) \right] $ 对单个晕的质量吸积历史提供了极佳的拟合。
• 特征形成时间 $ a_c $ 在红移缩放下保持不变，使其成为一种稳健、普适的晕属性。