Ellipsoidal collapse of dark matter haloes in cosmological simulations

Al giorno d'oggi molte campagne di osservazioni convergono su quale sia il modello cosmologico standard, che sia in grado di spiegare e descrivere la formazione e l'evoluzione delle strutture su grande scala nel nostro Universo. In questo scenario, circa il 95 % del contenuto energetico dell'Universo è sotto forma di materia ed energia oscura, ancora in parte sconosciute. Le strutture che formano l'Universo attuale si sono formate a partire da piccole fluttuazioni Gaussiane nel campo di densità iniziale e sono cresciute sotto l'azione della gravità. Durante l'espansione dell'universo, le regioni sufficientemente sovradense - dopo un periodo iniziale di espansione - collassano a causa della loro autogravità: la materia oscura, ritenuta la principale componente di materia nell'Universo, domina il processo di collasso gravitazionale formando strutture chiamate aloni di materia oscura. E' all'interno delle buche di potenziale create da questi aloni che il gas può subire processi di shock e condensazione, che portano alla formazione di stelle e galassie. I principali modelli teorici di collasso gravitazionale per gli aloni di materia oscura sono il modello di collasso sferico e di collasso ellissoidale . Il primo considera gli aloni come regioni sferiche sovradense immerse in un background uniforme, mentre il secondo permette una descrizione più completa della forma dato che definisce gli aloni come ellissoidi triassiali e omogenei. Inoltre, secondo il modello del collasso ellissoidale, l'intera evoluzione di un alone dipende direttamente dalle sue proprietà iniziali. Nonostante il fatto che l'utilizzo di forme triassiali anzichè sferiche sia indubbiamente più realistico, queste ultime sono spesso le più utilizzate. In questo lavoro abbiamo analizzato i risultati di diverse simulazioni cosmologiche (le GIF2 , Le SBARBINE - prodotte a Padova dal nostro gruppo - e la Millennium XXL ), con lo scopo di studiare nel dettaglio la triassialità degli aloni di materia oscura. In particolare, abbiamo sviluppato un nuovo codice per l'identificazione degli aloni, chiamato ``Ellipsoidal Halo Finder'', in grado di identificare gli aloni come ellissoidi triassiali ad ogni tempo, in linea con il modello teorico. In questo modo abbiamo studiato le proprietà dei proto-aloni alle condizioni iniziali delle simulazioni, e la loro evoluzione attraverso tutta la storia dell'Universo: questo tipo di analisi è cruciale per comprendere il ruolo dei picchi di densità iniziali, ritenuti i ``semi'' da cui si sono originate le strutture che osserviamo oggi. I nostri risultati aiutano a comprendere la dinamica del collasso, confermando molte predizioni del modello ellissoidale, ma forniscono anche la traccia per una modellizzazione più realistica. Se per il caso delle simulazioni e dei modelli teorici, il problema della triassialità degli aloni non è del tutto risolto, in campo osservativo si è iniziato a considerarlo molto recentemente. Gli ammassi di galassie sono i più massicci sistemi del nostro Universo e quindi, seguendo il clustering gerarchico, anche quelli che si sono formati più recentemente; circa l'80% della loro massa è attribuita alla materia oscura e solo la restante percentuale alla componente barionica. La determinazione della massa degli ammassi è un problema ancora aperto, le cui incertezze sono legate anche alla triassialità degli aloni di materia oscura che li circondano. Per esempio, la massa stimata tende ad essere inferiore a quella reale, dal momento che gli aloni sono tipicamente prolati, e quindi una modellizzazione sferica non è in grado di descriverne la struttura con precisione. In questo lavoro abbiamo analizzato le distribuzioni della forma degli aloni a tutti i tempi e per diverse cosmologie, usando la MXXL simulation e Le SBARBINE. In questo modo, abbiamo ricavato alcune relazioni universali tra i parametri che descrivono la forma di un alone e la massa, che risultano essere indipendenti dal modello cosmologico e dal redshift. Questi risultati possono essere utili per generare cataloghi simulati e possono essere inseriti nei metodi di ricostruzione della massa che richiedono delle distribuzioni a priori per i rapporti assiali. Abbiamo poi studiato nel dettaglio gli aloni di grande massa, per fornire predizioni più accurate nell'intervallo di massa degli ammassi di galassie. Infine, abbiamo studiato la funzione di massa degli aloni e testato la sua universalità. Con questo scopo, abbiamo identificato gli aloni usando sei diverse soglie di densità (la sovradensità viriale e altri multipli della densità di background e della densità critica, che sono comunemente usati in letteratura). I nostri risultati confermano l'universalità della funzione di massa, se misurata per gli aloni virializzati; questa non si mantiene invece per le altre identificazioni. Presentiamo le formule di best fit per tutte le sovradensità, ritenendo che possano essere molto utili in campo osservativo, e un metodo per riscalare da una sovradensità all'altra.