[论文解读] Kinematics of the local universe IX. The Perseus-Pisces supercluster and the Tolman-Bondi model

M. O. Hanski, G. Theureau+2 more|ArXiv.org|Sep 6, 2001

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 38被引用 13

一句话总结

本研究利用KLUN巡天的运动学数据，将Tolman-Bondi（TB）模型应用于猎户座-御夫座超星系团，以推断质量和宇宙学参数。研究发现，较低的本地星系群下落速度（<100 km s⁻¹）以及与TB模型相容的特殊速度，支持中等宇宙学密度参数Ω₀ = 0.2–0.4，验证了在使用平滑密度场和径向平均速度时，TB模型适用于复杂非球形结构。

ABSTRACT

We study the mass distribution and the infall pattern of the Perseus-Pisces (PP) supercluster. First we calculate the mass of the central part of PP, a sphere with a radius of 15/h Mpc centered at (l,b)=(140.2°,-22.0°), d=50/h Mpc, using the virial and other estimators. We get M_{PP} = 4 -- 7 /h 10^{15} M_{sun}, giving mass-to-light ratio 200 -- 600 h M_{sun} / L_{sun}, and overdensity δ\approx 4. The radially averaged smoothed density distribution around the PP is inputted to the Tolman-Bondi (TB) equations, calculated for different cosmologies: Ω_0 = [0.1,1], Ω_Λ = 1-Ω_0 or 0. As a result we get the infall velocities towards the PP center. Comparing the TB results to the peculiar velocities measured for the Kinematics of the Local Universe (KLUN) Tully-Fisher data set we get the best fit for the conditions Ω_0 = 0.2 -- 0.4 and v_{inf} &lt; 100 km/s for the Local Group infall towards the center of PP. The applicability of the TB method in a complex environment, such as PP, is tested on an N-body simulation.

研究动机与目标

• 检验Tolman-Bondi（TB）模型在非球形、丝状结构的猎户座-御夫座超星系团中的适用性。
• 利用TB建模和观测到的特殊速度，约束宇宙学密度参数Ω₀及本地星系群向超星系团的下落速度。
• 评估基于星系团观测的维里质量估算和质量-光度比，是否与TB模型预测的质量一致。
• 利用N体模拟评估TB模型在复杂环境中的有效性。
• 调和早期运动学研究与近期POTENT分析在本地星系群向PP下落速度上的分歧。

提出的方法

• 将TB模型应用于以猎户座-御夫座超星系团最密集区域（l,b）=（140.2°, -22.0°）为中心、半径为15 h⁻¹ Mpc的球对称质量分布。
• 通过将类似维里定理的估计方法应用于四个最显著的星系团，约束中心区域的质量，得到M_PP = 4–7 h⁻¹×10¹⁵ M☉。
• 使用平滑的IRAS星系密度场作为TB模型的输入，应用偏置因子b_IRAS ≈ 0.5以匹配观测速度。
• KLUN特殊速度基于Tully-Fisher关系和归一化距离法获得，并对本地星系群向PP的下落效应进行校正。
• 将TB预测的径向速度场与观测到的KLUN数据进行比较，将Ω₀和Ω_Λ作为自由参数处理。
• 利用N体模拟检验在复杂非球形星系团中，经球对称壳层平均后的速度场是否与TB预测一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用平滑密度场和平均速度场时，Tolman-Bondi模型能否准确描述非球形猎户座-御夫座超星系团周围的特殊速度场？
• RQ2 TB预测与KLUN数据的比较对本地星系群向PP超星系团下落速度施加了何种约束？
• RQ3 哪些宇宙学密度参数Ω₀范围与TB建模及PP区域的维里质量估算一致？
• RQ4 PP超星系团中星系团的质量-光度比如何影响Ω₀的估算？对大尺度质量密度有何启示？
• RQ5 在复杂丝状结构中，当对球对称壳层进行平均时，TB模型在多大程度上仍保持有效性？

主要发现

• 本地星系群向猎户座-御夫座超星系团的下落速度被约束在v_inf < 100 km s⁻¹，该结果与近期POTENT分析一致，但与早期约350 km s⁻¹的估计相矛盾。
• 当IRAS密度场应用b_IRAS ≈ 0.5的偏置时，TB模型对KLUN特殊速度数据具有良好的拟合效果，表明平滑密度场能有效捕捉大尺度质量分布。
• 宇宙学密度参数被约束在Ω₀ = 0.2–0.4之间，极端值（Ω₀ = 0.1或1）因质量与速度约束而被排除。
• 宇宙学常数的存在（Ω_Λ = 0或1−Ω₀）对结果无显著影响，因为在增长结构中下落速度对Λ仅弱敏感。
• 主星系团的维里质量估算得到M/L比为200–600 h M☉/L☉，若假设该比值具有宇宙代表性，则对应Ω₀ = 0.1–0.3。
• N体模拟证实，大质量星系团周围径向平均速度场可被TB模型良好描述，验证了其在平滑大尺度动力学中的适用性。