Tojeiro2025LargeScaleStructure
Brief
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- cosmic web 是对 DM halo 球坍缩的简单理论的替代，包括 node, filament, wall, void 等结构，分别对应 3/2/1/0 维发生了坍缩
- 最早在 CfA 这样的红移巡天中发现，可以用一些算法对各种结构进行识别
- group 级别的 halo 可以分成 stalled halo 和 accreting halo 两类，分别处于 filament 中和 void (node) 中
- stalled halo 位于 filament 中所以仅能从垂直 filament 的方向吸积物质
- 前者环境密度更高，clustering 也更强（作为 halo assembly bias 的一个方面）
- 二者在物质动力学模式以及物质分布集中度上存在差异
- 靠近 filament/node 的星系倾向于 quench，或者说星系在落入 node 之前在 filament 中就经历过 pre-process quenching
- WHIM（作为 missing baryon 的一个 solution）一般被认为存在于 filament 中
Intro
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- 「virialized DM halo 通过引力使得气体坍缩、星系的形成和演化」这种 halo centric 的视角可以被 cosmic web 的描述代替
- web 中的 filament 是物质传输的管道，比如将冷气体输送给星系和 cluster (node)
- 另外 halo 不是球对称的，而是具有各向异性
Dark matter halos to galaxies
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- DM halo 的形成是非线性过程，超出了线性微扰理论的范畴
- 最简单的模型是球形坍缩模型，在密度增长的过程中引力作用逐渐超过 Hubble flow，最终达到 virial 稳定状态，此时的密度大约是宇宙平均密度的 200 倍
- 更复杂的模型包括等级形成，也就是小 halo 先形成然后逐渐合并为大 halo
- PS 1974 给出了一个等级形成的解析解以及对 halo mass function 的预测
- 另外也可以解释 halo bias：大质量 DM halo 倾向于在本身高密度的环境中形成，因为高密度环境使其更容易达到坍缩临界密度
- N-body simulation 的发现是 DM halo 除了 merger 之外还可以通过吸积增长
- DM halo 增长和星系的增长之间关系非常复杂，二者并不是同步的
- 现代的 cosmological hydro simulation（例子是 EAGLE, IllustrisTNG 以及 Horizon-AGN）可以探究这一关系，尤其是星系属性和 halo assembly history 之间的关系
- simulation 的主要问题是 sub-grid recipe 之间的差异导致结果不同
- 观测的方法包括经验模型和 SHMR 两类，比如 AM、HOD 等（参考 Wechsler2018ConnectionGalaxiesTheir）
- SHMR 表示 stellar mass 和 halo mass 之间的关系
- 难点在于 halo mass 测量，一般可以通过 WL/kinematics/clustering 等间接方法
- 共识结论是 SHMR 在 1e12（MW）时两个 mass 之比（也可以称作 SF efficiency）达到峰值，低质量端和高质量端 efficiency 下降的原因分别是 stellar/AGN feedback
- 一些研究认为 SHMR scatter 可以解释为星系/halo 性质的差异，或者说不同类型的星系 SHMR 存在系统差异
- simulation 中的共识是在固定 halo mass 下恒星质量更高的星系对应于年龄更老的 halo，所以问题可以转变为 halo age 和星系观测性质的联系
- 一些研究得到了 older halo 对应 older galaxy 的结论，另一些得到了相反结论
Cosmic web
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- cosmic web 由 node, filament, wall 以及 void 组成，并且四种结构在不同尺度上都存在
- cosmic web 的理论成因是各向异性坍缩，一/二/三次坍缩会分别形成 wall/filament/node（Zel’dovich 近似）
- Bond 1996 提出了现代的 cosmic web 图景：原初密度场在引力作用下演化，高密度峰最终演化为 node，彼此之间以 filament 连接
- 这个 picture 和 N-body simulation 有很好的一致性
- 观测上重要的进展是 1981 年 Boötes Void 的发现以及 CfA 红移巡天的结果
- 后续的红移巡天包括 2dFGRS, SDSS, GAMA, VIPERS, COSMOS 等，未来的红移巡天有 Euclid 以及 PFS
- 在红移高于 2 之后星系的密度不足，需要用 Lya forest 代替
- cosmic web 识别方法分类包括识别拓扑特征、潮汐场中的子结构以及利用相空间信息
- 不同方法的主要分歧在于 filament 以及 wall 的识别
Impact on halos and galaxies
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- halo assembly bias 指的是 halo clustering 不仅仅取决于 halo mass 还和 halo 其他性质相关，可以用 cosmic web 解释
- 可以参考 Wechsler2018ConnectionGalaxiesTheir#4.4 Assembly bias 以及 Wechsler2018ConnectionGalaxiesTheir#Knowledge supplement
- 一个观测证据是大质量 halo 附近的低质量 halo 吸积会减弱/停滞
- group 级别的 halo 可以分为 stalled/accreting halo 两类
- stalled halo（fig1 D）一般位于宽度超过自身 virial radius 的 cosmic filament 中，潮汐场使得物质沿 filament 流动而不是落入 halo 中，halo 只能沿垂直 filament 的方向吸积物质
- stalled halo 更倾向于处于高密度环境，所以 clustering/bias 更强
- accreting halo（fig1 E）能够 somewhat 各向同性地吸积物质，可能位于 void（或者较小 node）位置
- stalled halo 当前的吸积率很低，所以大部分质量来源于早期的吸积，所以一般是更年老的
- 物质沿切向方向落入，内部动力学也倾向于是切向的；而 accreting halo 的轨道轨道倾向于是径向的
- 这样的理论可以解释 halo 各向异性和 clustering 之间的关系
- stalled halo 一般具有更加集中的结构，中心 sub-halo 的质量比例更高
- 观测上可以用中央星系的恒星质量和总 halo mass 的比值作为子结构 fraction 的指标间接反映 halo age，一个趋势是 node/filament 中的星系相比 wall/void 中的星系中心子结构比例更高
- cosmic web 和星系观测属性之间的关联通过 halo 建立，所以要先控制 halo 属性相同才能探讨不同环境的影响，这一步可以通过随机交换星系位置实现
- 大质量的星系倾向于分布在靠近 filament/wall 的地方，得到了观测和模拟的证实
- quenched fraction 在 filament/wall 中会系统性偏高（等价于 quenched 星系倾向于分布在靠近 filament/wall 的位置），说明这类星系在 filament 中就经历了 pre-processing
- 更靠近 node/filament/wall 的地方的星系具有更低的 sSFR、年老星族、高金属丰度以及高 alpha/Fe ratio
- 靠近 node/filament 的星系中的气体具有更高的金属丰度
- 可以解释为 stalled halo 缺乏来自外界的贫金属气体的稀释，内部恒星产出的金属逐渐积累
- HI 含量和 cosmic web 位置之间的关系存在一些争议
- 目前观测主要处于 local universe，但是理论可以给出高红移的一些预测
- cosmic web 会对星系 spin alignment 产生影响
- 对于大质量/椭圆星系，角动量一般垂直于 filament 方向；低质量/漩涡星系则倾向于具有平行 filament 方向的角动量
- 核心的差异在于 bulge mass，存在一个决定角动量方向的临界值
- 可以被 Tidal Torque Theory (TTT) 解释：星系从周围物质分布施加的潮汐力矩获得初始角动量
- spin flip picture 可以解释两种 spin 方向：初期星系的角动量和 filament 平行，后期逐渐变为垂直
Further aspects
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- WHIM 是低密度、温度 1e5-7 的温热气体，一般被认为存在于 cosmic filament 中
- 占据重子 budget 的 30%-40%，是 missing baryon 的一个 solution
- 探测比较困难，一般通过 quasar X-ray spectrum 中的吸收线以及 tSZ effect
- filament 中气体是 multi phase 形式存在的，冷气体可以通过 MgII 吸收线探测
- connectivity 定义为单个 node 连接 filament 的数量，可以通过拓扑学进行理论预测
- 简单的关系是随着 halo/stellar mass 升高而升高
- 另外 connectivity 更高的星系一般具有更低的 sSFR、椭圆形态
- connectivity 随红移增加而增强
- cosmic web 各种结构之间的互相关函数可以作为标准尺研究宇宙学
- 这篇 review 没有提到 node/void 的极端环境
- void 可以研究星系在没有外界环境影响下的本征演化
Thoughts
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