[論文レビュー] DES Y3 cosmic shear down to small scales: constraints on cosmology and baryons

Giovanni Aricò, Raúl E. Angulo+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、N体シミュレーションとニューラルネットワークを組み合わせたエミュレータであるBACCOemuを用いて、バリオン物理学の高度なモデリングを実現し、DES Y3の宇宙的まばらさ解析で、これまでのモデリングの課題により除外されていた小スケールまで含めた、初の分析を実施した。これにより、宇宙論的パラメータの制約が厳しくなり、$S_8 = 0.799^{+0.023}_{-0.015}$ および $ \log M_c = 14.38^{+0.60}_{-0.56}$ が測定された。結果はPlanckと0.9σの一致を示すが、バリオン、非線形性、固有配列のモデリングの改善により、公式のDES Y3宇宙的まばらさ解析と比較して1.4σのずれを示した。

ABSTRACT

We present the first analysis of cosmic shear measured in DES Y3 that employs the entire range of angular scales in the data. To achieve this, we build upon recent advances in the theoretical modelling of weak lensing provided by a combination of $N$-body simulations, physical models of baryonic processes, and neural networks. Specifically, we use BACCOemu to model the linear and nonlinear matter power spectrum including baryonic physics, allowing us to robustly exploit scales smaller than those used by the DES Collaboration. We show that the additional data produce cosmological parameters that are tighter but consistent with those obtained from larger scales, while also constraining the distribution of baryons. In particular, we measure the mass scale at which haloes have lost half of their gas, $\log\,M_{ m c}=14.38^{+0.60}_{-0.56}\log(h^{-1}{ m M_{ \odot}})$, and a parameter that quantifies the weighted amplitudes of the present-day matter inhomogeneities, $S_8=0.799^{+0.023}_{-0.015}$. Our constraint on $S_8$ is statistically compatible with that inferred from the Planck satellite's data at the $0.9σ$ level. We find instead a $1.4σ$ shift in comparison to that from the official DES Y3 cosmic shear, because of different choices in the modelling of intrinsic alignment, non-linearities, baryons, and lensing shear ratios. We conclude that small scales in cosmic shear data contain valuable astrophysical and cosmological information and thus should be included in standard analyses.

研究の動機と目的

• 小スケールがモデリングの課題により以前には除外されていたが、全角スケールを含むDES Y3宇宙的まばらさデータを再分析すること。
• バリオン物理学、特に爆発駆動ガス再配分が、CMBと弱レンズィング測定の間の$S_8$の矛盾を緩和できるかどうかを調査すること。
• N体シミュレーションとニューラルネットワークエミュレータを用いて、非線形およびバリオン効果を含む物理的で妥当な物質パワースペクトルモデルを構築・適用すること。
• ハローがガスの半分を失う特徴的なハロー質量スケール$M_c$を制約し、バリオンフィードバック効率の直接的プローブを提供すること。
• 固有配列、シェア比、非線形性のモデリングの改善が、宇宙論的パラメータの制約に与える影響を評価すること。

提案手法

• N体シミュレーションでトレーニングされたニューラルネットワークベースのエミュレータ、BACCOemuを用い、宇宙論的パrameterを含む線形および非線形物質パワー スペクトルをバリオン物理学を含めてモデリングした。
• 超新星やAGNフィードバックなどの物理的モデルを組み込み、小スケール（高$\ell$）にまで宇宙的まばらさ解析を拡張し、小スケールでのパワーを抑制するバリオンフィードバックを実装した。
• 宇宙的まばらさ、ガリクシー-ガリクシー レンズィング、ガリクシークラスタリングを組み合わせた3x2pt解析を実施し、BACCOemuから得られる非線形バイアス エミュレータを用いてガリクシークラスタリングおよびレンズィング信号をモデリングした。
• 物理的で妥当なパrametricモデルを用いて、固有配列やシェア比補正などの系統的誤差を組み込んだ。
• CosmoSISフレームワークを用いてベイズ的推論により宇宙論的パラメータを制約し、BACCOemuの予測に基づいた尤度を用いた。
• 結果の妥当性を確認するため、Planck CMBデータおよび公式のDES Y3宇宙的まばらさ解析結果と比較し、モデリングの選択による一貫性とずれを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオンフィードバック過程が、宇宙的まばらさ信号の小スケールパワーをどの程度抑制できるか、そしてこれが$S_8$の矛盾の一部を説明できるか。
• RQ2 非線形構造成長および固有配列の改善モデルが、DES Y3宇宙的まばらさデータにおける推定$S_8$値にどのように影響するか。
• RQ3 ガス損失が50％に達する特徴的なハロー質量スケール$M_c$にどの程度の制約を置けるか。これはバリオンフィードバック効率のプローブとして有効である。
• RQ4 小スケール宇宙的まばらさデータを含めた結果と公式のDES Y3宇宙的まばらさ解析の結果を比較すると、どのような相違が生じ、その原因は何か。
• RQ5 バリオン、非線形性、固有配列を統合した包括的なモデリングフレームワークは、弱レンズィング宇宙論における系統的不確実性を低減できるか。

主な発見

• 小スケール宇宙的まばらさデータの組み込みにより、宇宙論的パラメータの制約が厳しくなり、$S_8 = 0.799^{+0.023}_{-0.015}$ が得られ、Planckの$S_8$と0.9σの一致を示した。
• ハローがガスの半分を失う際のハロー質量スケールが$\log M_c = 14.38^{+0.60}_{-0.56} \, \log(h^{-1} M_\odot)$ と制約され、バリオンフィードバックの直接的プローブが得られた。
• $S_8$の制約は、公式のDES Y3宇宙的まばらさ解析と比較して1.4σのずれを示したが、主に固有配列、非線形性、バリオン、シェア比のモデリングの違いに起因した。
• 結果は、小スケール宇宙的まばらさに宇宙論的および天体物理学的情報が豊富に含まれており、系統的バイアスを低減するため標準的分析に組み込むべきであることを示した。
• BACCOemuに基づくモデリングフレームワークは、物質パワー スペクトルにおける非線形およびバリオン効果を的確に捉えており、信頼性の高い小スケール推論を可能にした。
• 本研究は、バリオン物理学が小スケールパワーを抑制できることを確認したが、その抑制だけでは$S_8$の矛盾を解消するには不十分であり、他の系統的誤差や新物理が関与している可能性があると示唆した。