[論文レビュー] Comparison of physical and observational galaxy cluster modelling

Kamran Javid, Y. C. Perrott+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、AMIおよびPlanck SZデータを用いて、物理的モデルと観測的モデルの銀河団を比較し、54個の銀河団においてY(r500)およびθ500の推定値を評価している。物理的モデルは観測的モデルよりも低いY推定値を示し、PMとOM Iの間で最も大きな事後分布の乖離が見られ、ベイズ的証拠は全体的にOM Iを支持するが、最低赤方偏移の銀河団ではPMが中程度の好ましさを示している。

ABSTRACT

We present a comparison between three cluster models applied to data obtained by the Arcminute Microkelvin Imager radio interferometer system. The physical model (PM) parameterises a cluster in terms of its physical quantities to model the dark matter and baryonic components of the cluster using NFW and GNFW profiles respectively. The observational models (OM I and OM II) model only the gas content of the cluster. The two OMs vary only in the priors they use in Bayesian inference: OM I has a joint prior on angular radius $ heta$ and integrated Comptonisation $Y$, derived from simulations, while OM II uses separable priors on $ heta$ and $Y$ which are based on calculations of the physical model. For the comparison we consider a sample of $54$ clusters which are a subsample of the second Planck catalogue of Sunyaev-Zel'dovich sources. We first compare the $Y$ estimates of the three models, and find that the PM generally yields lower estimates relative to the OMs. We then compute the Earth Mover's Distance between the $ heta$ - $Y$ posterior distributions obtained from each model for each cluster, and find that the two models which are most discrepant are PM and OM I. Finally, we compare the Bayesian evidence values obtained from each model for each cluster. OM I generally provides the best fit to the data but not at a statistically significant level, according to the Jeffreys scale. The highest evidence ratio obtained is actually in favour of the PM over OM I.

研究の動機と目的

• 太陽ヤルツェフ＝ゼルドビッチ効果データを用いて、銀河団の物理的モデリングと観測的モデリングのアプローチを比較すること。
• 異なるモデリングフレームワーク間でのY(r500)およびθ500推定値の整合性を評価すること。
• ベイズ的証拠と事後分布間のエアス・ムーバー距離（EMD）を用いて、モデルの性能を評価すること。
• 赤方偏移情報が、特に低赤方偏移領域でモデルの乖離に与える影響を調査すること。
• 54個の銀河団のAM Iデータに対して、物理的モデルと観測的モデルのどちらが最も適合するかを特定すること。

提案手法

• ダークマター（NFW）およびバリオン成分（一般化NFW）をパラメータ化する物理的モデル（PM）を適用し、銀河団の性質を推定する。
• ガス成分のみをモデル化する2つの観測的モデル（OM IおよびOM II）を実装し、事前分布の構造が異なり、OM Iは連合事前分布、OM IIは分離可能な事前分布を用いる。
• マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いたベイズ推論により、AMIデータからY(r500)およびθ500の事後分布を導出する。
• Y(r500)およびθ500の2次元事後分布間のエアス・ムーバー距離（EMD）を計算し、分布の乖離度を定量化する。
• 各クラスタごとに各モデルのベイズ的証拠値を計算し、ジェフレーズ尺度を用いてモデルの好ましさを評価する。
• 銀河団選定と赤方偏移情報にはPlanck PSZ2カタログデータを用い、AMI観測は15 GHzでSZ効果を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的モデルのY(r500)推定値は、観測的モデル（OM IおよびOM II）と比較して、クラスターサンプル全体でどのように異なるか？
• RQ2 2次元事後分布間のエアス・ムーバー距離（EMD）で測定した場合、3つのモデル間でY(r500)およびθ500の事後分布の乖離度はどの程度か？
• RQ3 ベイズ的証拠に基づくと、AM Iデータに対して物理的モデルと観測的モデルのどちらがより良い適合を示すか？
• RQ4 赤方偏移は、モデル予測の差異にどのように影響するか、特に低赤方偏移領域で顕著か？
• RQ5 OM IとOM IIの事前分布の違いは、モデル性能および事後分布の整合性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 物理的モデル（PM）は、観測的モデル（OM IおよびOM II）と比較して一般的に低いY(r500)推定値を示すが、低赤方偏移領域では逆にOM IおよびOM IIが低い値を示す。
• PMとOM Iの事後分布間のエアス・ムーバー距離（EMD）が最大であり、Y(r500)–θ500分布の予測に最も顕著な乖離が生じていることを示している。
• サンプルの約2/3において、OM IとOM IIのY(r500)推定値は互いに1つの合成標準誤差以内に収束している。
• PMとOM IIの事後分布の乖離は、赤方偏移が高くなるにつれて減少しており、赤方偏移情報がモデルの差を軽減していることを示唆している。
• ベイズ的証拠では、50のクラスタでOM IがPMを上回るが、そのうち弱いか中程度の好ましさを示すのは14のクラスタにとどまる。最高の証拠比は、最低赤方偏移のクラスタ（z = 0.0894）でPMを示しており、中程度の好ましさである。
• 53のクラスタでOM IがOM IIを上回り、そのうち39のクラスタで弱いか中程度の好ましさを示しており、OM Iが全体的にOM IIよりも優れているが、大多数のクラスタでは証拠が明確でない。