[論文レビュー] Baryon Acoustic Oscillation detections from the clustering of massive halos and different density region tracers in TianNu simulation

Yu Liu, Liang Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、TianNu N体シミュレーションを用いて、デローニー三角形分割（DT）空洞を低密度および高密度領域のトレーサーとして用いたバリオンアコースティック振動（BAO）検出を調査する。低密度領域トレーサー（空洞）を用いることで、模擬銀河と比較してBAOピーク強度が10倍に増幅され、空洞半径が約34 Mpc/hで最適な検出が達成されることが示された。

ABSTRACT

The Baryon Acoustic Oscillations (BAO) refer to the ripples of material density in the Universe. As the most direct density tracers in the universe, galaxies have been commonly used in studies of BAO peak detection. The spatial number density of galaxies, to a certain extent, reflects the distribution of the material density of our Universe. Using galaxies as matter tracers, we can construct more overlapping empty spheres (DT voids) than the matter tracers, via Delaunay Triangulation technique. We show that their radii excellently reflect the galaxy number density round them, and they can serve as reliable different density region tracers. Using the data from an unprecedented large-scale $N$-body simulation "TianNu", we conduct some fundamental statistical studies and clustering analysis of the DT voids. We discuss in detail the representative features of two-point correlation functions of different DT void populations. We show that the peak, the position of which corresponds to the average radius of data samples, is the most representative feature of the two-point correlation function of the DT voids. In addition, we also construct another voids, the disjoint voids, and investigate their some statistical properties and clustering properties. And we find that the occupied space of all disjoint voids accounts for about $45\%$ of the volume of the simulation box, regardless of the number density of mock galaxies. We also investigate the BAO detections based on different tracers, i.e. mock galaxies, low-density region tracers, and high-density region tracers respectively. Our results show that BAO intensities detected by low/high-density region tracers are enhanced significantly compared to the BAO detection by mock galaxies, for the mock galaxy catalogue with the number density of $7.52 imes10^{-5}$ $h^3$ Mpc$^{-3}$.

研究の動機と目的

• TianNu N体シミュレーションにおけるデローニー三角形分割（DT）空洞のクラスタリング特性を、宇宙密度場のトレーサーとして調査すること。
• 大規模構造解析におけるDT空洞および非重複空洞が、低密度および高密度領域のトレーサーとしての有効性を評価すること。
• 模擬銀河、低密度領域トレーサー（DT空洞）、および高密度領域トレーサー（小規模DT空洞）の間でBAO検出性能を比較すること。
• 異なる密度領域においてBAO信号強度を最大化する最適な空洞半径カットを同定すること。
• DT空洞が大規模構造形成におけるニュートリノ効果をプローブするための高次統計ツールとしての可能性を評価すること。

提案手法

• TianNuシミュレーションの模擬銀河分布にデローニー三角形分割を適用し、各空洞を銀河の四面体の外接球として定義する。外接球内に他の銀河が存在しない四面体を用いる。
• DT空洞の半径に基づいて低密度および高密度領域トレーサーを定義する：大きな空洞は低密度領域をトレースし、小さな空洞は高密度領域をトレースする。
• 異なるDT空洞集団の二点相関関数（2PCF）を計算し、クラスタリング特徴およびBAOピークの位置を分析する。
• ガウス過程回帰（GPR）を用いて模擬銀河および空洞トレーサーの2PCFをフィッティングし、BAO信号強度を定量的に比較する。
• 重複するDT空洞から導かれる非重複空洞（非重複球）の統計的性質を調査し、体積カバー率および密度依存性を評価する。
• 特に空洞サイズ分布およびその局所的銀河数密度との相関に注目し、高い動的範囲と大規模な体積を活かした堅牢な統計的分析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DT空洞のクラスタリング特性は、その背後にある銀河数密度とどのように相関するか？
• RQ2 DT空洞は、宇宙のスケルトンにおける低密度および高密度領域を信頼できるトレーサーとして機能するか？
• RQ3 低密度および高密度領域のBAO信号検出を最適化するための最適な空洞半径カットは何か？
• RQ4 模擬銀河と低・高密度領域トレーサーの間で、BAOピーク強度はどのように異なるか？
• RQ5 非重複空洞の占める体積は、模擬銀河の数密度にどの程度依存するか？

主な発見

• DT空洞の二点相関関数におけるピーク位置は、平均空洞半径と強く相関しており、これは密度場の強力な指標である。
• 顕著な重複が存在するにもかかわらず、DT空洞の半径は局所的銀河数密度を信頼性高く反映しており、密度トレーサーとしての有効性が裏付けられる。
• 非重複空洞が占める総体積は、模擬銀河の数密度に依存せず、約45％のシミュレーションボックス体積を占める。
• 模擬銀河の数密度が $7.52 \times 10^{-5} \, h^3 \, \text{Mpc}^{-3}$ の場合、低密度領域トレーサー（DT空洞）を用いることで、BAOピーク強度が模擬銀河と比較して10倍に増幅される。
• 低密度領域トレーサーのBAO信号を最大限に高める最適な空洞半径カットは $\sim 34 \, \text{Mpc}/h$ である。
• 高密度領域トレーサー（小規模空洞）では、空洞半径が小さくなるほどBAO信号が増大するが、サンプル数の減少に伴うノイズ上昇により限界に達する。