[论文解读] The Infuence of Omega_baryon on High-Redshift Structure

Jeffrey P. Gardner, Neal Katz+2 more|Digital Access to Scholarship at Harvard (DASH) (Harvard University)|Jul 16, 2001

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究通过流体动力学模拟，隔离了不同重子密度参数 $\Omega_{\rm baryon}$ 对高红移结构形成的影响。结果表明，更高的 $\Omega_{\rm baryon}$ 会增强气体冷却，从而提高星系中冷凝气体和恒星质量、恒星形成率，以及高柱密度吸收（DLA、莱曼限），而当紫外背景调整至匹配观测光学厚度时，莱曼-α森林对 $\Omega_{\rm baryon}$ 不敏感。

ABSTRACT

We analyze high-redshift structure in three hydrodynamic simulations that have identical initial conditions and cosmological parameters and differ only in the value of the baryon density parameter, Omega_b=0.02, 0.05, 0.125. Increasing Omega_b does not change the fraction of baryons in the diffuse (unshocked) phase of the intergalactic medium, but it increases cooling rates and therefore transfers some baryons from the shocked intergalactic phase to the condensed phase associated with galaxies. Predictions of Lyman-alpha forest absorption are almost unaffected by changes of Omega_b provided that the UV background intensity is adjusted so that the mean opacity of the forest matches the observed value. The required UV background intensity scales as Omega_b^1.7, and the higher photoionization rate increases the gas temperature in low density regions. Damped Lyman-alpha absorption and Lyman limit absorption both increase with increasing Omega_b, though the impact is stronger for damped absorption and is weaker at z=4 than at z=2-3. The mass of cold gas and stars in high-redshift galaxies increases faster than Omega_b but slower than Omega_b^2, and the global star formation rate scales approximately as Omega_b^1.5. In the higher Omega_b models, the fraction of baryonic material within the virial radius of dark matter halos is usually higher than the universal fraction, indicating that gas dynamics and cooling can lead to over-representation of baryons in virialized systems. On the whole, our results imply a fairly intuitive picture of the influence of Omega_b on high-redshift structure, and we provide scalings that can be used to estimate the impact of Omega_b uncertainties on the predictions of hydrodynamic simulations.

研究动机与目标

• 通过在相同宇宙学模拟中仅改变 $\Omega_{\rm baryon}$ 参数，隔离其对高红移宇宙结构形成的影响。
• 量化 $\Omega_{\rm baryon}$ 变化对电离介质相结构（稀疏、激波、冷凝相）的影响。
• 评估可观测诊断量——莱曼-α森林、衰减莱曼-α吸收、莱曼限系统及恒星形成率——对 $\Omega_{\rm baryon}$ 变化的敏感性。
• 推导关键天体物理量随 $\Omega_{\rm baryon}$ 变化的标度律，以估算因 $\Omega_{\rm baryon}$ 不确定性带来的流体动力学模拟误差。
• 评估当 $\Omega_{\rm baryon}$ 变化但紫外背景调整至匹配观测平均光学厚度时，莱曼-α森林是否仍为宇宙学的稳健探针。

提出的方法

• 执行三组流体动力学模拟，初始条件和宇宙学参数完全相同，仅 $\Omega_{\rm baryon}$ 不同：0.02、0.05 和 0.125。
• 采用标准冷暗物质模型，$\Omega_m = 1$，$h = 0.5$，$\sigma_8 = 0.7$，并使用边长为 11.11 $h^{-1}$ Mpc 的周期性盒子，包含 $64^3$ 个气体和暗物质粒子。
• 采用 5 $h^{-1}$ 光滑长度（共动单位）的引力软化，并包含辐射冷却、来自紫外背景的加热，以及带反馈的恒星形成模型。
• 通过密度和温度将气体分类为：稀疏（未激波）、激波（热 IGM）和冷凝（星系相关）相，分析电离介质的相结构。
• 从模拟中合成莱曼-α森林、衰减莱曼-α吸收和莱曼限吸收的光谱，并在不同 $\Omega_{\rm baryon}$ 值之间进行比较。
• 在不同模拟中调整紫外背景强度，以匹配观测到的莱曼-α森林平均光学厚度，从而实现对吸收特征的公平比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 提高 $\Omega_{\rm baryon}$ 如何影响高红移下电离介质中重子的相分布？
• RQ2 当紫外背景调整至匹配观测平均光学厚度时，莱曼-α森林对 $\Omega_{\rm baryon}$ 变化的敏感性如何？
• RQ3 $\Omega_{\rm baryon}$ 如何影响高红移星系中冷气体和恒星的质量？其质量与 $\Omega_{\rm baryon}$ 的标度关系如何？
• RQ4 $\Omega_{\rm baryon}$ 如何影响衰减莱曼-α和莱曼限吸收系统的发生率？这种依赖关系是否随红移变化？
• RQ5 在更高 $\Omega_{\rm baryon}$ 模型中，暗物质晕内重子的占比是否显著超过宇宙普遍比例？

主要发现

• 电离介质中处于稀疏（未激波）相的重子比例基本不受 $\Omega_{\rm baryon}$ 变化的影响。
• 更高的 $\Omega_{\rm baryon}$ 会增强冷却速率，使气体从激波 IGM 相转移到与星系相关的冷凝相。
• 为匹配观测到的莱曼-α森林平均光学厚度，所需的紫外背景强度与 $\Omega_{\rm baryon}^{1.7}$ 近似成比例，更高的光离化率会提高低密度区域的气体温度。
• 衰减莱曼-α吸收对 $\Omega_{\rm baryon}$ 的依赖性比莱曼限吸收更强，且在 $z=2-3$ 时的依赖性强于 $z=4$ 时。
• 高红移星系中冷气体和恒星质量与 $\Omega_{\rm baryon}$ 呈超线性关系，幂律指数介于 1 到 2 之间，而全局恒星形成率与 $\Omega_{\rm baryon}$ 的关系约为 $\Omega_{\rm baryon}^{1.5}$。
• 在更高 $\Omega_{\rm baryon}$ 模型中，位于暗物质晕内禀半径内的重子比例超过宇宙普遍比例，表明由于冷却和气体动力学，束缚系统中重子被过度代表。