[论文解读] Constraining Omega with Cluster Evolution

Neta A. Bahcall, X. Fan+1 more|CERN Bulletin|Jun 3, 1997

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文利用从 z ≈ 0 到 z ≈ 0.5–1 的富星系团丰度演化，打破宇宙质量密度 Omega 与谱归一化 sigma_8 之间的退化关系。通过将观测到的星系团演化与理论模型对比，发现 Omega = 0.3 ± 0.1 且 sigma_8 = 0.85 ± 0.15，表明为低密度、低偏置宇宙，对宇宙学模型选择具有重要意义。

ABSTRACT

We show that the evolution of the number density of rich clusters of galaxies breaks the degeneracy between Omega (the mass density ratio of the universe) and sigma_{8} (the normalization of the power spectrum), sigma_{8}Omega^{0.5} \simeq 0.5, that follows from the observed present-day abundance of rich clusters. The evolution of high-mass (Coma-like) clusters is strong in Omega=1, low-sigma_{8} models (such as the standard biased CDM model with sigma_{8} \simeq 0.5), where the number density of clusters decreases by a factor of \sim 10^{3} from z = 0 to z \simeq 0.5; the same clusters show only mild evolution in low-Omega, high-sigma_{8} models, where the decrease is a factor of \sim 10. This diagnostic provides a most powerful constraint on Omega. Using observations of clusters to z \simeq 0.5-1, we find only mild evolution in the observed cluster abundance. We find Omega = 0.3 \pm 0.1 and sigma_{8} = 0.85 \pm 0.15 (for Lambda = 0 models; for Omega + Lambda = 1 models, Omega = 0.34 \pm 0.13). These results imply, if confirmed by future surveys, that we live in a low-den sity, low-bias universe.

研究动机与目标

• 利用星系团演化数据打破 Omega 与 sigma_8 之间的退化关系。
• 利用观测到的高质星系团至 z ≈ 0.5–1 的演化，确定宇宙质量密度 Omega。
• 检验观测到的星系团丰度中等程度演化是否更支持低-Omega 或高-Omega 模型。
• 在 Lambda = 0 和 Omega + Lambda = 1 模型中约束宇宙学参数。

提出的方法

• 在不同宇宙学模型（Omega = 1 与低-Omega）中建模富星系团数密度的演化。
• 将理论预测的星系团丰度演化与至 z ≈ 0.5–1 的观测数据进行比较。
• 利用 Omega = 1、低-sigma_8 模型（如 sigma_8 ≈ 0.5 的标准 CDM）中高质星系团的强烈演化，与低-Omega、高-sigma_8 模型中的中等程度演化进行对比。
• 应用诊断方法：星系团演化可打破 Omega–sigma_8 退化关系，从而实现更严格的约束。
• 将观测到的星系团计数与理论模型拟合，以推导 Omega 和 sigma_8 的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 富星系团丰度的演化在多大程度上约束宇宙质量密度 Omega？
• RQ2 星系团演化能否打破 Omega 与 sigma_8 之间的退化关系？
• RQ3 在高-Omega 或低-Omega 宇宙学模型中，哪一个更符合至 z ≈ 0.5–1 的观测星系团演化？
• RQ4 如果 Omega 偏低，对星系形成偏置有何影响？

主要发现

• 观测到的星系团丰度从 z ≈ 0 到 z ≈ 0.5–1 仅表现出轻微演化，与 Omega = 1、低-sigma_8 模型预期的强烈演化不一致。
• 数据更支持低-Omega 宇宙，得出 Lambda = 0 模型下 Omega = 0.3 ± 0.1。
• 对于 Omega + Lambda = 1 的模型，结果为 Omega = 0.34 ± 0.13。
• 推导出的 sigma_8 为 0.85 ± 0.15，显著高于标准 CDM 模型的 ~0.5 值。
• 若未来巡天证实，结果意味着低偏置、低密度宇宙。