[論文レビュー] Distinguish dark matter theories with the cosmic web and next-generation surveys I: an alternative theory of gravity

Pierre Boldrini, C. Laigle|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2024

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、一般相対性理論の非ポisson的代替理論であるモンジュ＝アンペール重力が、ダークマターのみのシミュレーションにおける宇宙の網状構造のフィラメント接続性に与える影響を調査する。205 Mpc/hのシミュレーションにDisPerSEフィラメント検出器を適用した結果、モンジュ＝アンペール重力はフィラメント形成を強化し、ハロー接続性の赤方偏移依存性を変化させ、その傾きと切片が次世代の宇宙望遠鏡（例：Euclid）における重力理論の区別に有用な強力なプローブであることが判明した。

ABSTRACT

In the context of future large surveys like the Euclid mission, extracting the cosmic web from galaxies at higher redshifts with more statistical power will become feasible, particularly within the group-cluster mass regime. Therefore, it is imperative to enlarge the number of metrics that can used to constrain our cosmological models at these large scales. The number of cosmic filaments surrounding galaxies, groups and clusters, namely the connectivity, has recently emerged as a compelling probe of the large-scale structures, and has been investigated in various observational and numerical analyses. In this first paper, we examine dark matter-only cosmological simulations using the widely used DisPerSE filament finder code under two theories of gravity: the Poisson ($Λ$CDM) and the Monge-Ampère models, in order to quantify how alternative models of gravity alter the properties of the cosmic skeleton. We specifically focused on this alternative gravity theory due to its propensity to enhance the formation of anisotropic structures such as filaments, but it also makes them more resistant to collapse, which consequently reduces the formation of halos. Indeed, our findings reveal that replacing the Poisson equation has a significant impact on the hierarchical formation scenario. This is evidenced by examining the redshift evolution of both the slope and the offset of the connectivity. Additionally, we demonstrated that current observations are generally in better agreement with our well-established gravity model. Finally, our study suggests that filament connectivity in the group-cluster regime could serve as a probe of our gravity model at cosmological scales. We also emphasize that our approach could be extended to alternative theories of dark matter, such as warm or fuzzy dark matter, given the extraordinary datasets provided by next-generation surveys.

研究の動機と目的

• 代替重力理論、特にモンジュ＝アンペール重力が、標準的なΛCDMと比較して宇宙の網状構造の大規模構造に与える影響を評価すること。
• ポアソン（ΛCDM）とモンジュ＝アンペール重力モデルとの間で、特に団やクラスタの質量スケールにおけるフィラメント接続性（接続するフィラメント数）の違いを定量化すること。
• 接続性指標（傾きと切片）の赤方偏移依存性が、近い将来の宇宙望遠鏡における重力理論の区別に観測的プローブとして機能するかどうかを評価すること。
• 調査対象のシステムティクスに配慮した、シミュレーションと観測の宇宙の網状構造の間の偏りのない比較のためのベンチマークを確立すること。
• 今後の高精度データを用いて、温かくももやもやしたダークマターなどの代替ダークマターモデルへのこのフレームワークの拡張を検討すること。

提案手法

• 205 Mpc/hのボックスを用い、8×10^9 M⊙の質量分解能で、ポアソン（ΛCDM）とモンジュ＝アンペール重力モデルの両方のダークマターのみの宇宙論的シミュレーションを実施する。
• 粒子分布からの宇宙の骨格を抽出するためにDisPerSEフィラメント検出器を適用し、シミュレーションと観測の両方に一貫性を保つためにCPmax-halos法を用いてキャリブレーションを行う。
• Mvir > 10^14 M⊙のハローに対して、接続するフィラメント数としてハロー接続性を測定し、団やクラスタの質量スケールに焦点を当てる。
• z = 0 から z = 2 の範囲で、接続性関数の傾きと切片の赤方偏移依存性を分析する。
• シミュレーションと観測の両方に対して、CPmax-halosを用いてDisPerSEの持続性閾値を独立にキャリブレーションし、フィラメント検出におけるバイアスを最小限に抑える。
• 実際の観測と同等のノイズと機器効果を含むモック観測データを作成し、シミュレーションと実際の観測との間でエンドツーエンドの比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モンジュ＝アンペール重力は、標準的なΛCDMと比較して、宇宙のフィラメント形成と接続性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ハロー接続性の赤方偏移依存性（傾きと切片）は、ポアソンとモンジュ＝アンペール重力モデルを区別できるか？
• RQ3 現在の観測データは、団・クラスタ質量領域において、ΛCDMモデルと代替重力理論モデルの予測とどの程度一致しているか？
• RQ4 高質量ハローの接続性は、大スケールでの重力理論の検証に頑健な宇宙論的プローブとして機能できるか？
• RQ5 観測調査におけるシステムティックバイアスは、どのように低減され、シミュレーションの宇宙の網状構造との信頼できる比較を可能にするか？

主な発見

• モンジュ＝アンペール重力は、大規模構造の階層的形成を顕著に変化させ、ΛCDMと比較してフィラメント形成を強化し、ハローの崩壊を抑制する。
• モンジュ＝アンペール重力とポアソン重力モデルの間で、接続性の傾きと切片の赤方偏移依存性に顕著な差が認められ、前者は高赤方偏移でより急な傾きと高い切片を示す。
• z = 1.5 時点で、モンジュ＝アンペールシミュレーションの接続性は1ハローあたり9.5本のフィラメントに達する（ΛCDMでは7本）。これは、よりフィラメントに富んだ環境であることを示している。
• 現在の観測は、一般的に標準的なΛCDMモデルと一致しており、モンジュ＝アンペール重力は既存のデータから不利益に評価されている。
• 赤方偏移にわたる接続性の傾きと切片は、今後の望遠鏡調査における重力理論の区別に強力な定量的指標であると特定された。
• 提案されたベンチマーク（キャリブレーション済みのモックデータとDisPerSE用のCPmax-halos）により、理論に依存しない、偏りのないシミュレーションと観測の比較が可能となり、代替重力理論やダークマター理論の検証への道が開かれた。