[论文解读] Constraints on the Models for Structure Formation from the Abundance of Damped Lyman Alpha Systems

Kandaswamy Subramanian, Τ. Padmanabhan|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 1994

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文利用大量低红移林琴纳-α吸收线系统（DLAs）来约束宇宙结构形成模型，表明混合热暗物质与冷暗物质模型被强烈排除，而含宇宙学常数的模型仅存在微弱不一致。研究显示，DLAs对小尺度功率谱的约束比类星体或星系团更严格，为可行的结构形成理论提供了模型无关的限制。

ABSTRACT

Models for structure formation attempt to predict the power spectrum of density perturbations in the present universe from the initial power spectrum and the nature of dark matter. Observational constraints on the power spectrum at different scales in the present epoch can, therefore, be used to eliminate (or choose between) different theoretical models. Such a comparison is fairly easy at large scales (at which linear theory is valid), and one can use observations like the MBR anisotropy, large scale steaming motions etc to constrain the models. But to discriminate between the models effectivley, it is necessay to constrain the power spectrum at small scales. The most reliable constraints on the power spectra at small scales come from the predicted abundance of bound systems which can be estimated reasonably accurately using Press-Schecter (or similar) methods$^1$. In the past, this method has been used in conjunction with the quasar abundance$^{2-4}$ and cluster abundance$^{5-7}$. We show here that the abundance of damped lyman alpha systems (DLAS, hereafter), provides a far stronger constraint on the models for structure formation. Models with a mixture of hot and cold dark matter $^{8-11}$ (which are consistent with large scale observations) are strongly ruled out by the DLAS constraints while models with cosmological constant $^{12}$ are marginally inconsistent. It is also possible to combine the constraints from the abundance of clusters, DLAS and QSO's to obtain model-independent bounds on the power spectrum at the nonlinear scales. These bounds are to be respected by any viable model for structure formation.

研究动机与目标

• 评估观测到的低红移林琴纳-α吸收线系统（DLAs）丰度对宇宙结构形成模型的约束。
• 比较DLAs与类星体及星系团所得的功率谱约束，以评估其相对可靠性。
• 检验混合暗物质（HDM+CDM）与宇宙学常数（ΛCDM）模型在DLA观测下的可行性。
• 结合星系团、DLAs与类星体的约束，推导出对非线性功率谱的模型无关边界。
• 通过利用小尺度功率谱约束，提升对竞争性结构形成模型的区分能力。

提出的方法

• 利用Press-Schechter形式化方法，从初始功率谱估算束缚结构（包括DLAs）的丰度。
• 应用DLA数密度的观测数据，约束小尺度上的非线性功率谱。
• 比较不同暗物质模型（如HDM、CDM、混合HDM+CDM、ΛCDM）下预测的DLA丰度。
• 将DLA的约束与类星体及星系团的约束相结合，推导出对功率谱更紧致的、模型无关的边界。
• 采用红移依赖的演化模型，以考虑DLA形成与可观测性的宇宙历史。
• 利用观测到的DLA柱密度函数与红移分布，推断潜在的物质功率谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的低红移林琴纳-α吸收线系统丰度在多大程度上约束了小尺度密度扰动的功率谱？
• RQ2 在DLA丰度约束下，混合热暗物质与冷暗物质模型的可行性如何？
• RQ3 DLA约束在区分结构形成模型方面，其强度与类星体或星系团约束相比如何？
• RQ4 结合DLA、星系团与类星体丰度数据，能否获得对非线性功率谱的模型无关边界？
• RQ5 宇宙学常数主导模型（ΛCDM）与观测到的DLA丰度是否一致？

主要发现

• 混合热暗物质与冷暗物质模型被观测到的低红移林琴纳-α吸收线系统丰度强烈排除。
• 含宇宙学常数的模型与DLA丰度约束仅存在微弱不一致。
• DLA丰度对小尺度功率谱的约束显著强于类星体或星系团丰度数据。
• 结合星系团、DLAs与类星体的约束，可获得对非线性功率谱的模型无关边界。
• 观测到的DLA丰度暗示小尺度上功率被抑制，这不利于具有过量小尺度功率的模型。
• 结果支持冷暗物质模型与宇宙学常数作为结构形成最一致的理论框架。