[論文レビュー] Baryonic effects on weak-lensing two-point statistics and its cosmological implications

Irshad Mohammed, Davidé Martizzi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 30

ひとこと要約

本論文は、弱強度レンズ効果の2点相関統計に、AGNフィードバック、ホットプラズマ、断熱的に収縮したダークマターを含むバリオン物理学を組み込んだ解析的ハロモデルを開発した。高次の多重数（ℓ_max = 8000）においてバリオンを無視すると、宇宙論的パラメータに最大10σのバイアスが生じるが、臨界ハロ質量パラメータ $M_{\rm crit}$ を含めることで、$M_{\rm crit}$ および $\Omega_m$ や $\sigma_8$ などの宇宙論的パラメータに対するバイアスのない、2%未満の制約が可能である。

ABSTRACT

We develop an extension of extit{the Halo Model} that describes analytically the corrections to the matter power spectrum due to the physics of baryons. We extend these corrections to the weak-lensing shear angular power spectrum. Within each halo, our baryonic model accounts for: 1) a central galaxy, the major stellar component whose properties are derived from abundance matching techniques; 2) a hot plasma in hydrostatic equilibrium and 3) an adiabatically-contracted dark matter component. This analytic approach allows us to compare our model to the dark-matter-only case. Our basic assumptions are tested against the hydrodynamical simulations of Martizzi et. al. (2014), with which a remarkable agreement is found. Our baryonic model has only one free parameter, $M_{ m crit}$, the critical halo mass that marks the transition between feedback-dominated halos, mostly devoid of gas, and gas rich halos, in which AGN feedback effects become weaker. We explore the entire cosmological parameter space, using the angular power spectrum in three redshift bins as the observable, assuming a Euclid-like survey. We derive the corresponding constraints on the cosmological parameters, as well as the possible bias introduced by neglecting the effects of baryonic physics. We find that, up to $\ell_{max}$=4000, baryonic physics plays very little role in the cosmological parameters estimation. However, if one goes up to $\ell_{max}$=8000, the marginalized errors on the cosmological parameters can be significantly reduced, but neglecting baryonic physics can lead to bias in the recovered cosmological parameters up to 10$σ$. These biases are removed if one takes into account the main baryonic parameter, $M_{ m crit}$, which can also be determined up to 1-2\%, along with the other cosmological parameters.

研究の動機と目的

• 精密宇宙論におけるバリオン物理学が弱レンズシアの角度パワー スペクトルに与える影響を定量化すること。
• ハロ内に中心銀河、熱いプラズマ、断熱的に収縮したダークマターを含む解析的ハロモデルを構築すること。
• 今後のEuclidのような宇宙ミッションにおいて、バリオン物理学を無視すると宇宙論的パラメータ推定にどのようなバイアスが生じるかを評価すること。
• 弱レンズデータを用いて、バリオンパラメータ $M_{\rm crit}$ が宇宙論的パラメータから独立して制約可能かどうかを同定すること。
• 宇宙論的感度とバリオンバイアスのバランスを取るために、弱レンズパワー スペクトル解析の最適な $\ell_{\rm max}$ を特定すること。

提案手法

• ハロモデルを拡張し、中心銀河（頻度マッチングを用いて）、静的平衡状態の熱いプラズマ、断熱的に収縮したダークマターをバリオン成分として含める。
• $M_{\rm crit}$ を唯一の自由パラメータとして導入し、フィードバック支配域とガス豊富域の遷移を示す。
• 水理的シミュレーション（Martizzi et al., 2014）と照合することで、優れた一致を得た。
• 修正されたハロモデルを用いて、弱レンズシアの角度パワー スペクトル $C_\ell$ を計算し、バリオンあり（BAR）とダークマターのみ（DMO）のケースを比較した。
• 複数の赤方偏移ビンにわたる模擬Euclidデータを用いたフィッシャー行列解析により、宇宙論的制約を導出した。
• ガウス型および非ガウス型の共分散成分を組み込んだが、バリオン効果を明確に分離するために非ガウス性は完全にモデル化しなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGNフィードバック、ホットプラズマ、ダークマター収縮といったバリオン物理学が、弱レンズシアの角度パワー スペクトルにどのように影響を与えるか。
• RQ2 高次の $\ell$ において、バリオン物理学を無視すると宇宙論的パラメータ推定にどのような影響が生じるか。
• RQ3 弱レンズデータを用いて、バリオンパラメータ $M_{\rm crit}$ が宇宙論的パラメータから独立して制約可能か。
• RQ4 どの $\ell_{\rm max}$ でバリオン物理学がバイアスを支配的に引き起こし始めるか。最適な解析設定は何か。
• RQ5 非ガウス型共分散効果は、高 $\ell$ においてバリオン補正と比較してどの程度の大きさか。

主な発見

• ℓ_max = 8000 においてバリオンを無視すると、$\sigma_8$ などの宇宙論的パラメータに最大10σのバイアスが生じる。
• $M_{\rm crit}$ を解析に自由パラメータとして含めることで、宇宙論バイアスが解消され、バイアスのない制約が可能になる。
• $\ell_{\rm max} = 8000$ で $M_{\rm crit}$ は1–2%の精度で制約可能であり、$\ell_{\rm max} = 1000$ での15%から急激に改善される。
• $\Omega_m$ と $\sigma_8$ はそれぞれ $\ell_{\rm max} = 8000$ で約2%および0.5%の精度で推定可能である。
• $M_{\rm crit}$ の分散は $\ell_{\rm max} \approx 8000$ で安定化し、それ以上の改善は得られないことを示している。
• 非ガウス型共分散効果は、高 $\ell$ においてバリオン補正に比べて劣位である。$\ell_{\rm max} = 10000$ でバリオンバイアスは非ガウス型共分散を6倍上回っている。