[论文解读] Looking at the relation between haloes and galaxies under the lens

Eyal Neistein, Sadegh Khochfar|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2012

Astronomy and Astrophysical Research被引用 7

一句话总结

本研究提出HASH（晕-丰度与亚晕为基础）模型，通过N体模拟将星系恒星质量与暗物质晕及亚晕直接关联，基于模拟的亚晕分布直接建模弱引力透镜信号。结果表明，当前弱引力透镜数据对星系-晕质量关系的约束能力有限——对于给定恒星质量的中心星系，其亚晕质量存在超过10倍的自由度；而未来高精度透镜观测可能显著改善对低质量星系的约束。

ABSTRACT

We use an empirical approach to model the stellar mass of galaxies according to their host dark-matter haloes and subhaloes ('HASH'), where each galaxy resides in a subhalo taken from a large N-body cosmological simulation. This approach allows us to study the mass relation between subhaloes and galaxies (MR) using: the weak lensing signal (WL), the two point auto-correlation function (CF), and the stellar mass function of galaxies (SMF). Our method is based on modeling the lensing signal directly from the cosmological simulation, and should thus be more accurate than other methods based on analytic halo models. We find that the WL does not provide a strong constraint on the MR, allowing for more than a factor of 10 freedom in the subhalo mass of central galaxies, for a given stellar mass. The freedom for satellite galaxies is much larger, providing a very poor constraint on the fraction of satellite galaxies (0.05-0.8). These results are not significantly modified when using both the SMF and WL as constraints. We show that for the most massive galaxies, observational constraints based on the CF with 0.1 dex errors, are equivalent to 0.05 dex error in the WL. For intermediate and low mass galaxies the WL and CF constrain the MR in a different way. Although the WL is currently not adding much information at these masses, it has the potential of being important using future, more accurate measurements. The models found here do not match simultaneously the observed CF and WL signals, and show a limited ability to match the WL & SMF. We suspect that this is partially due to the cosmological model assumed here and we therefore adopt a mock WL signal through most of this work. In comparison to previous models in the literature, the method presented here is probably more general, as it reveals a larger range of solutions for a given set of observational constraints [abridged].

研究动机与目标

• 开发一种通用的、基于模拟的方法，利用直接的N体模拟输出，建模星系恒星质量与晕/亚晕质量关系（MR）
• 使用z=0处的观测数据，评估弱引力透镜（WL）、星系聚类（CF）和恒星质量函数（SMF）对MR的约束能力
• 确定结合WL与SMF及CF是否能改善对MR的约束，并识别当前观测精度的局限性
• 在宇宙学假设下评估模型的鲁棒性，并评估未来高精度透镜数据的潜力

提出的方法

• HASH模型在大规模N体宇宙学模拟（Millennium Simulation）中，利用亚晕质量与星系恒星质量之间的经验关系，将星系分配至亚晕
• 通过堆叠固定落入质量和自展质量的亚晕周围密度剖面，直接从模拟中建模弱引力透镜信号，避免使用解析晕模型近似
• 使用观测约束——恒星质量函数（SMF）、两点相关函数（CF）和弱引力透镜（WL）——标定MR，由于观测WL与SMF之间存在不一致，因此采用修改后的模拟WL信号
• 通过改变恒星质量与亚晕质量关系，探索MR的广泛解空间，实现对晕质量区间内退化性的分析
• 通过统计不确定性范围（例如，低质量星系为0.8 dex自由度）量化MR中的退化性，评估在SMF、CF和WL不同组合下的约束条件
• 通过从模拟中计算堆叠剖面，同时考虑晕和亚晕质量函数、聚类及透镜效应，实现与观测的直接比较

实验结果

研究问题

• RQ1 弱引力透镜信号在多大程度上约束了中心星系和卫星星系的星系-晕质量关系（MR）？
• RQ2 SMF、CF和WL的联合约束如何影响MR中的退化性？
• RQ3 HASH模型能否使用一组一致的参数同时匹配观测到的SMF、CF和WL信号？
• RQ4 未来弱引力透镜精度达到何种水平，才能对中低质量星系的MR产生有意义的约束？
• RQ5 宇宙学假设和简化条件（如无离散性、无重子效应）如何影响MR约束的可靠性？

主要发现

• 弱引力透镜信号对星系-晕质量关系的约束能力非常有限：对于给定恒星质量的中心星系，其亚晕质量存在超过10倍的自由度
• 卫星星系表现出更大的退化性，其数量分数范围为0.05–0.8，表明其MR受到的约束较差
• 当与SMF和CF结合时，加入弱引力透镜数据并未显著减少MR中的退化性，表明当前WL对大质量星系的约束信息量有限
• 对于大质量星系，CF中0.1 dex的误差在约束能力上等价于WL中0.05 dex的误差，表明在当前误差预算下CF更具优势
• 对于中等和低质量星系，WL与CF对MR的约束方式不同，未来精度达约0.1 dex的WL测量可显著改善对低质量星系MR的约束
• 该模型无法同时匹配观测到的CF与WL信号，且在匹配WL与SMF方面能力有限，可能源于宇宙学模型假设；因此采用模拟WL信号以保证一致性