[论文解读] Voids in the LCRS versus CDM Models

V. Muêller, Sepideh Arbabi Bidgoli+2 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 42

一句话总结

本研究通过分析拉斯坎帕纳斯红移巡天（LCRS）二维切片中的空洞尺寸分布，检验冷暗物质（CDM）宇宙学模型。利用空洞搜寻算法与环境密度阈值，研究发现中位空洞尺寸与平均星系间距的关系为 $ D_{\text{med}} \approx \lambda + (12 \pm 3)\,h^{-1}\text{Mpc} $，且星系偏置对空洞统计的影响远大于宇宙学模型差异的影响。

ABSTRACT

We have analyzed the distribution of void sizes in the two-dimensional slices of the Las Campanas Redshift Survey (LCRS). Fourteen volume-limited subsamples were extracted from the six slices to cover a large part of the survey and to test the robustness of the results against cosmic variance. Thirteen samples were randomly culled to produce homogeneously selected samples. We then studied the relationship between the cumulative area covered by voids and the void size as a property of the void hierarchy. We find that the distribution of void sizes scales with the mean galaxy separation, $λ$. In particular, we find that the size of voids covering half of the area is given by $D_{med} \approx λ+ (12\pm3) \h^{-2}$Mpc. Next, by employing an environmental density threshold criterion to identify mock galaxies, we were able to extend this analysis to mock samples from dynamical $n$-body simulations of Cold Dark Matter (CDM) models. To reproduce the observed void statistics, overdensity thresholds of $δ_{th} \approx 0 ... 1$ are necessary. We have compared standard (SCDM), open (OCDM), vacuum energy dominated ($Λ$CDM), and broken scale invariant CDM models (BCDM): we find that both the void coverage distribution and the two-point correlation function provide important and complementary information on the large-scale matter distribution. The dependence of the void statistics on the threshold criterion for the mock galaxy indentification shows that the galaxy biasing is more crucial for the void size distribution than are differences between the cosmological models.

研究动机与目标

• 通过使用多个体积受限子样本，检验LCRS中空洞尺寸统计对宇宙方差的鲁棒性。
• 探究LCRS中空洞尺寸分布是否能够区分不同CDM宇宙学模型（SCDM、OCDM、ΛCDM、BCDM）。
• 通过比较n体模拟的模拟样本与观测数据，评估星系偏置在塑造空洞统计中的作用。
• 确定空洞覆盖度与尺寸分布是否能为大尺度结构探测提供与两点相关函数互补的信息。
• 在LCRS中不同星系密度区域建立空洞尺寸的通用标度关系。

提出的方法

• 从LCRS的六个二维切片中提取14个体积受限子样本，以最小化宇宙方差并确保统计稳健性。
• 应用空洞搜寻算法（Kauffmann & Melott, 1992）识别投影星系分布中的凸形、最大空洞。
• 通过归一化空洞尺寸 $ \mu = D/D_{\text{med}} $，量化空洞的层级结构，基于空洞尺寸的累积面积覆盖度。
• 利用环境密度阈值 $ \delta_{\text{th}} $，从CDM模型的n体模拟中生成模拟星系样本，以模拟星系偏置。
• 使用双参数标度关系 $ D_{\text{med}} \approx \lambda + (12 \pm 3)\,h^{-1}\text{Mpc} $ 拟合空洞尺寸分布，其中 $ \lambda $ 为平均星系间距。
• 比较不同模型下空洞覆盖度与两点相关函数，评估其对宇宙学参数的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LCRS中空洞尺寸分布如何随平均星系间距变化？是否可由通用标度关系描述？
• RQ2 标准CDM模型在多大程度上能再现LCRS中观测到的空洞尺寸分布，特别是大空洞？
• RQ3 在模拟样本中，空洞统计对星系偏置阈值的选择有多敏感，相较于宇宙学模型之间的差异？
• RQ4 空洞覆盖度统计是否能为约束大尺度结构提供与两点相关函数互补的信息？
• RQ5 空洞尺寸分布是否依赖于观测星系的绝对星等范围，还是主要由平均星系密度决定？

主要发现

• LCRS中位空洞尺寸与平均星系间距的关系为 $ D_{\text{med}} \approx \lambda + (12 \pm 3)\,h^{-1}\text{Mpc} $，表明存在自相似的空洞层级结构。
• 使用高偏置阈值（$ \delta_{\text{th}} = 1 $ 和 $ \delta_{\text{th}} = 2 $）的 $ \Lambda $CDM 和 BCDM 模型模拟样本，最能再现观测到的大空洞丰度。
• OCDM 模型在 $ \delta_{\text{th}} = 2 $ 时表现出不足的大尺度相关幅度，限制了其与数据的匹配能力。
• 大于 $ 2.5D_{\text{med}} $ 的空洞丰度被强烈抑制，表明在更大尺度上可能已过渡到均匀性。
• 空洞尺寸分布对星系偏置的敏感度远高于对物质密度或原初功率谱形状等宇宙学参数的敏感度。
• 空洞尺寸分布几乎与星系样本的绝对星等范围无关，不同星等限制子样本的中位空洞尺寸差异小于15%。