[论文解读] Density profiles and voids in modified gravity models

M. Martino, Ravi K. Sheth|ArXiv.org|Nov 10, 2009

Hydraulic Fracturing and Reservoir Analysis参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文研究了修正引力——特别是具有增强或抑制大尺度引力的唯象模型——如何改变宇宙空洞和暗物质晕的形成与结构。通过球对称坍缩模型和模拟，研究发现更强的大尺度引力会增加空洞的数量和晕的浓度，为晕统计提供互补约束，并可能通过X射线和弱引力透镜观测探测到。

ABSTRACT

We study the formation of voids in a modified gravity model in which gravity is generically stronger or weaker on large scales. We show that void abundances provide complementary information to halo abundances: if normalized to the CMB, models with weaker large-scale gravity have smaller large scale power, fewer massive halos and fewer large voids, although the scalings are not completely degenerate with $σ_8$. Our results suggest that, in addition to their abundances, halo and void density profiles may also provide interesting constraints on such models: stronger large scale gravity produces more concentrated halos, and thinner void walls. This potentially affects the scaling relations commonly assumed to translate cluster observables to halo masses, potentially making these too, useful probes of gravity.

研究动机与目标

• 研究修正引力对宇宙空洞形成及密度分布的影响。
• 将空洞丰度与晕丰度进行比较，作为大尺度引力修正的互补探针。
• 评估修正引力模型中空洞与晕的密度分布是否与标准ΛCDM预测有显著差异。
• 评估空洞与晕的密度分布作为观测探针在检验引力理论方面的潜力。
• 确定归一化选择（如CMB与z=0功率谱）如何影响修正引力模型中大空洞丰度的预测。

提出的方法

• 将球对称的托帕特坍缩模型适配至具有参数α（振幅）和rs（尺度长度）的修正引力势，偏离标准的1/r引力。
• 利用能量守恒（公式3）模拟欠密度区域的演化，考虑由修正引力引起的非Birkhoff力。
• 应用穿越集方法估算空洞丰度，并与数值模拟结果进行比较。
• 分析模拟中晕与空洞壳层的密度分布，检测与标准引力的偏离，尤其关注浓度与壳层厚度的变化。
• 通过Fritz Stabenau的模拟输出及Joerg Colberg的空洞搜寻算法，将模型预测与模拟结果进行对比。
• 评估空洞与晕统计对归一化方案（如匹配CMB与z=0功率谱）的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有尺度依赖势的修正引力如何影响大尺度宇宙空洞的丰度？
• RQ2 与标准ΛCDM相比，修正引力中晕与空洞壳层的密度分布有何不同？
• RQ3 空洞丰度能否提供对修正引力的独立约束，作为对晕丰度测量的补充？
• RQ4 功率谱的归一化方式（如通过CMB与z=0）如何影响修正引力模型中大空洞数量的预测？
• RQ5 修正引力中晕与空洞的分布在多大程度上表现出可测量的偏离标准引力预测的特征？

主要发现

• 当归一化至相同的CMB功率谱时，更强的大尺度引力（α > 0）会导致更高质量的晕和更丰富的大型空洞。
• 当归一化至相同的z=0功率谱时，空洞丰度对α的依赖关系取决于归一化方法：对于α < 0，初始功率增加可能逆转CMB归一化下的趋势。
• 修正引力中的晕密度分布显示，当α > 0时浓度增加，而当α < 0时在virial半径处出现尖点，表明质量吸积动力学发生改变。
• 在大尺度引力更强的模型中（α > 0），空洞壳层更薄，表明可通过弱引力透镜或星系团聚观测探测到结构差异。
• 当归一化至CMB时，模型预测空洞与晕的丰度对更强引力的响应相似，但在z=0归一化下则不同，这为区分修正引力与非高斯初始条件提供了途径。
• 初步模拟显示，解析预测与数值结果在定性上一致，但存在定量偏差，提示穿越集方法或模拟空间分辨率存在局限。