[论文解读] Cosmic Structure Formation at High Redshift

Ilian T. Iliev, Kyungjin Ahn+3 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 7

一句话总结

本研究通过高红移（z ≈ 30）早期宇宙结构形成的大规模高分辨率N体模拟，揭示了广泛使用的Sheth-Tormen晕质量函数高估了稀有晕的丰度，尤其是在z ≈ 30时。模拟进一步表明，迷你晕的数密度与局部物质重叠度相关，尽管存在显著的离散度，且离散度随红移增加而增大，而扩展的Press-Schechter模型仅能提供粗略但非始终准确的拟合。

ABSTRACT

We present some preliminary results from a series of extremely large, high-resolution N-body simulations of the formation of early nonlinear structures. We find that the high-z halo mass function is inconsistent with the Sheth-Tormen mass function, which tends to over-estimate the abundance of rare halos. This discrepancy is in rough agreement with previous results based on smaller simulations. We also show that the number density of minihaloes is correlated with local matter density, albeit with a significant scatter that increases with redshift, as minihaloes become increasingly rare. The average correlation is in rough agreement with a simple analytical extended Press-Schechter model, but can differ by up to factor of 2 in some regimes.

研究动机与目标

• 通过大规模高分辨率模拟，研究Sheth-Tormen晕质量函数在高红移区（z ≈ 30–8）的准确性。
• 检验高红移下（z ≈ 8–30）迷你晕数密度与局部物质重叠度在低密度和高密度区域的相关性。
• 评估扩展Press-Schechter模型在预测早期宇宙结构中晕偏置时的有效性。
• 量化晕-密度关系中离散度的大小及其随红移的演化，为半分析再电离模型提供参考。
• 提供高动态范围的数据集，用于测试宇宙学模拟中早期结构形成过程的亚网格模型。

提出的方法

• 使用CubePM代码进行一系列N体模拟，粒子数高达1650亿（5488³），模拟盒子尺寸从2/h Mpc到3.2/h Gpc。
• 采用球对称重叠度晕探测器，阈值为平均密度的178倍，通过分辨率加倍于粒子网格的格点对粒子进行插值以识别晕。
• 将晕定义为至少包含20个粒子的物体（最小分辨质量≈10³–10¹² M☉），并排除在z=8时粒子数少于50个、在更高红移时少于100个的晕。
• 利用二次插值和virial半径估计方法计算晕的属性（质量、中心、速度弥散等）。
• 计算晕的多重性函数（M²/ρ̄）(dn/dM)，并与Sheth-Tormen和Press-Schechter的解析模型进行比较。
• 分析迷你晕（M < 10⁸ M☉）的数密度随局部重叠度（1+δ）的变化，子体积大小为440/h kpc，与扩展Press-Schechter预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 从大规模N体模拟中获得的高红移晕质量函数与Sheth-Tormen解析拟合相比如何？
• RQ2 在z ≈ 8–30时，迷你晕的数密度在多大程度上与局部物质重叠度相关？该相关性如何演化？
• RQ3 扩展Press-Schechter模型在预测高红移宇宙中晕-密度偏置关系方面的准确性如何？
• RQ4 迷你晕-密度相关性的离散度大小及其红移依赖性如何？对半分析模型有何影响？
• RQ5 模拟体积和分辨率如何影响高红移晕丰度和偏置测量的统计可靠性？

主要发现

• Sheth-Tormen质量函数在高红移时高估了稀有晕的丰度，在z ≈ 30时偏差可达10倍。
• 在z ≈ 8时，Sheth-Tormen函数使大质量晕（M > 10⁹ M☉）的数密度高估了数倍，而经典Press-Schechter函数在此红移下拟合更优。
• 迷你晕（M < 10⁸ M☉）的数密度与局部重叠度相关，但存在显著离散度，且离散度随红移增加而增大。
• 扩展Press-Schechter模型对晕-密度关系提供了合理的平均拟合，但在某些红移和重叠度区域偏差可达2倍。
• 迷你晕-密度相关性的离散度在绝对值上大致保持恒定，但因密度动态范围扩大而相对离散度增加，尤其在z ≈ 8时更为显著。
• 在相同分辨率下，较小（6.3/h Mpc）和较大（20/h Mpc）模拟盒子的结果在平均偏置关系上高度一致，表明高红移下对体积效应具有鲁棒性。