[论文解读] Evolution of the Lyman-alpha forest from high to low redshift

R. Riediger, Patrick Petitjean+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 1997

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究利用CDM模型的N体模拟，研究了从z=5到z=0的莱曼-α森林的红移演化，假设重子物质追踪暗物质。结果发现，从z=4到z=1，log N(HI) > 12的吸收线数量密度基本保持不变；在z=0时，log N(HI) > 12、13和14的每单位红移的线密度分别为~400、~100和~20，表明大多数森林吸收线较弱，且与星系的关联性不强。

ABSTRACT

We study the evolution with redshift, from z=5 to z=0, of the Lyman-alpha forest in a CDM model using numerical simulations including collisionless particles only. The baryonic component is assumed to follow the dark matter distribution. We distinguish between two populations of particles: Population P{s} traces the filamentary structures of the dark matter, evolves slowly with redshift and, for N(HI)>10^14 cm^-2, dominates the number density of lines at z<3; most of population P{u} is located in underdense regions and for the same column densities, disappears rapidly at high redshift. We generate synthetic spectra from the simulation and show that the redshift evolution of the Lyman-alpha forest (decrement, N(HI) distribution) is well reproduced over the whole redshift range for Omega_b*h^2=0.0125 and J_-21=0.1 at z=3 where J_-21 is the UV background flux intensity in units of 10^-21 erg cm^-2 s^-1 Hz^-1 sr^-1. The total number of lines with N(HI)>10^12 cm^-2 remains approximately constant from z=4 to z=1. At z=0, the number density of lines per unit redshift with log N(HI)>12, 13, 14 is of the order of 400, 100, and 20 respectively. Therefore, at low redshift, if most of the strong (w_r>0.3 Å) lines are expected to be associated with galaxies, the bulk of the Lyman-alpha forest however should have lower equivalent width and should not be tightly correlated with galaxies.

研究动机与目标

• 理解莱曼-α森林在宇宙时空中红移演化规律。
• 模拟从高红移到低红移时HI吸收线的分布和数量密度变化。
• 评估暗物质结构在塑造森林特性中的作用。
• 确定低红移时莱曼-α森林是否与星系相关。
• 检验模拟的森林特性与观测到的光学深度和柱密度分布的一致性。

提出的方法

• 使用无碰撞粒子模拟CDM模型，追踪暗物质分布。
• 假设重子物质遵循暗物质分布，不考虑辐射冷却或反馈效应。
• 将粒子分为两类：P{s}（位于丝状结构中）和P{u}（位于低密度区域）。
• 从模拟生成合成光谱，与观测的森林特性进行比较。
• 在z=3时使用UV背景辐射强度J_-21 = 0.1来模拟光致电离。
• 将模拟的光学深度和N(HI)分布与z=0到z=5的观测结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 从z=5到z=0，莱曼-α森林吸收线的数量密度如何演化？
• RQ2 在不同红移下，丝状结构（P{s}）与低密度区域（P{u}）对森林的贡献如何？
• RQ3 在低红移时，强莱曼-α吸收线与星系的相关性有多大？
• RQ4 在重子物质追踪暗物质的CDM模型下，能否重现观测到的柱密度分布和光学深度？
• RQ5 在z=0时，不同柱密度阈值下的预测线密度是多少？

主要发现

• 从z=4到z=1，N(HI) > 10^12 cm^-2的吸收线总数量密度基本保持恒定。
• 在z=0时，每单位红移的线密度为：log N(HI) > 12时~400，log N(HI) > 13时~100，log N(HI) > 14时~20。
• 对于N(HI) > 10^14 cm^-2的吸收线，与丝状暗物质结构相关的P{s}群体在z<3时主导了线数。
• 位于低密度区域的P{u}群体在相同柱密度下，于高红移迅速消失。
• 当Omega_b*h^2 = 0.0125且z=3时J_-21 = 0.1时，模拟的红移演化光学深度和N(HI)分布与观测结果吻合良好。
• 低红移时，大多数莱曼-α森林吸收线具有较低的等效宽度，且与星系无紧密关联。