2019 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of theoretical model for 21-cm line observation
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19J23680
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
安藤 梨花 名古屋大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 加速膨張 / 宇宙の大規模構造 / 中性水素 / シミュレーション / 21-cm線 / ハロー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在の宇宙の加速膨張の起源として未知のエネルギーであるダークエネルギーを導入する理論モデルや重力の理論を拡張する修正重力理論など様々な理論モデルが提唱されているがいまだわかっていない。これらの理論モデルの違いは宇宙の大規模構造の進化に表れるため、これまで銀河を用いた観測が活発に行われてきた。そして近い将来には新たな手段として、宇宙に広く存在する中性水素 (HI) から放出される電波である21-cm線を用いた大規模構造の観測が開始する。本研究では21-cm線を用いた宇宙論解析における観測と比較するために必要な理論モデルの構築を目的とする。
しかしHIの割合や空間分布の時間発展を解析的に計算することは困難であるため、シミュレーションを用いて計算を行う。初年度には比較的計算コストのかからないダークマターの重力的相互作用のみを計算するN体シミュレーションからHIの空間分布を再構築する方法を調べた。複数の先行研究では高密度な塊であるダークマターハローにのみHIを置くという手法が使用されているが、本研究の解析によって正確にパワースペクトルを再現するようなHIマップを再構築するにはハローに存在するHIだけでなくその周囲に存在するものまで考慮する必要があることを示した。
そこでハローに存在するHIの質量を仮定するという従来の方法とは別に、本研究ではダークマターの密度ゆらぎからハローとその周辺のみを取り出す方法を提案した。ダークマターはハロー以外にも広く存在するのに対しHIの大部分はハローとその近傍に局在しているため、この方法によってハロー近傍にのみ質量が存在するような空間分布を疑似的に再現することができる。ただしダークマターとHIの密度ゆらぎの振幅は異なるため、密度ゆらぎを取り出した後は定数倍する必要がある。これらの結果は国内外の複数の研究会で報告している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初は先行研究で用いられているような従来の手法を用いて大規模なHIマップを作成し、宇宙論解析に用いられる観測量であるパワースペクトルに現れる特徴的なスケールを測定しようと考えていた。しかし中規模の宇宙論的流体シミュレーションを用いたHIの空間分布などの解析の結果として新たな再構築の手法を探る必要があることがわかっため、観測量の議論までには至っていない。
しかし共同研究者の方々と議論を重ね、統計的性質を再現できるような再構築の方法を探り、さらに根拠としてハローとその周辺に存在するダークマターやHIの密度プロファイルの違いについても明らかにした。その結果、ダークマターの密度ゆらぎからHIの空間分布を再構築する新しい手法を提案することができ、この結果は現在論文に執筆中である。
そして宇宙論的流体シミュレーションから得られるHIの密度ゆらぎのパワースペクトルにはシミュレーションの粒子分解能から制限される量である分解できるハローの最小質量が強く影響していることについても明らかにした。
さらに、再電離以降のHIに関する構造形成を扱った研究では無視されることの多いHIの超微細構造のエネルギーを特徴付ける温度であるスピン温度のゆらぎの影響についても調査し、数%レベルの正確さを目指す場合には考慮する必要があることを示した。
これらを省みた結果、当初想定していた解析までは至っていないが、新たな重要な示唆を与えることができたため、概ね順調であると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の研究にてN体シミュレーションからHIマップを再構築する新たな手法を開発することができたので、まずは大規模かつ高い粒子分解能のN体シミュレーションのデータを使用して、HIマップの作成を行う。そして得られたHIマップを使用し、実際の宇宙論解析に用いる観測量であるパワースペクトルに現れる特徴であるバリオン音響振動 (BAO) の波数スケールの測定に着手する予定である。この結果についてもすぐに論文にまとめる予定である。その後は赤方偏移空間歪みなど、BAO以外の観測量についても調査を続ける予定である。
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Research Products
(5 results)
