[论文解读] The large scale inhomogeneity of the galaxy distribution

Francesco Sylos Labini|arXiv (Cornell University)|May 8, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出一种新方法，利用斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）数据绘制大尺度星系结构，表明星系分布表现出超过 ~30 Mpc/h 的大振幅、非自平均密度涨落。在 30 Mpc/h 以内，分形维数 D = 2.1 ± 0.1，且在小于 100 Mpc/h 的尺度上，非均匀性与均匀性不相容，也与标准宇宙学模型及 N-body 模拟结果不一致。

ABSTRACT

The properties of the galaxy distribution at large scales are usually studied using statistics which are assumed to be self-averaging inside a given sample. We present a new analysis able to quantitatively map galaxy large scale structures while testing for the stability of average statistical quantities in different sample regions. We find that the newest samples of the Sloan Digital Sky Survey provide unambiguous evidence that galaxy structures correspond to large amplitude density fluctuations at all scales limited only by sample sizes. The two-point correlations properties are self-averaging up to approximately 30 Mpc/h and are characterized by a fractal dimension D=2.1 +- 0.1. Then at all larger scales probed density fluctuations are too large in amplitude and too extended in space to be self-averaging inside the considered volumes. These inhomogeneities are compatible with a continuation of fractal correlations but incompatible with: (i) a homogeneity scale smaller than 100 Mpc/h, (ii) predictions of standard theoretical models, (iii) mock galaxy catalogs generated from cosmological Nbody simuations.

研究动机与目标

• 测试大尺度巡天不同区域中星系统计的自平均行为。
• 量化星系分布中大尺度密度涨落的范围与振幅。
• 评估观测到的结构与均匀性假设及标准宇宙学模型的相容性。
• 评估基于 N-body 模拟生成的星系模拟星表是否再现了观测到的大尺度非均匀性。
• 确定星系团 clustering 从自平均行为向非自平均行为转变的尺度。

提出的方法

• 通过分析斯隆数字巡天多个区域的两点相关函数，评估统计稳定性。
• 使用尺度依赖的分形维数 D，表征不同红移和空间区间内的团 clustering 行为。
• 将观测到的相关性质与宇宙学 N-body 模拟及星系模拟星表推导出的性质进行比较。
• 通过检查巡天子体积中相关函数的方差，测试自平均性。
• 定义一个转变尺度（约 30 Mpc/h），在此尺度上涨落过大且空间延伸过长，无法在观测体积内实现统计自平均。
• 评估观测结构与小于 100 Mpc/h 的均匀性尺度假设的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系相关统计在斯隆数字巡天的不同区域中，其自平均性程度如何？
• RQ2 大尺度密度涨落变得过大且空间延伸过长，无法实现自平均的尺度是什么？
• RQ3 观测到的星系团 clustering 分形维数 D 与标准宇宙学模型的预测相比如何？
• RQ4 观测到的大尺度非均匀性是否与基于 N-body 模拟生成的星系模拟星表相容？
• RQ5 观测到的星系分布是否支持小于 100 Mpc/h 的均匀性尺度？

主要发现

• 星系两点相关函数在约 30 Mpc/h 以内是自平均的，分形维数 D = 2.1 ± 0.1。
• 在 30 Mpc/h 以外，密度涨落的振幅过大且空间延伸过长，无法在所测体积内实现统计自平均。
• 观测到的大尺度非均匀性与小于 100 Mpc/h 的均匀性尺度不相容。
• 观测到的团 clustering 性质与标准理论宇宙学模型的预测不一致。
• 斯隆数字巡天中观测到的结构无法被基于宇宙学 N-body 模拟生成的星系模拟星表再现。
• 数据表明分形相关性在大尺度上持续存在，表明大尺度非均匀性持续存在于通常认为均匀的尺度之外。