[論文レビュー] Excursion Set Halos -- ExSHalos: A New Parameter Free Method for Fast Generation of Halo Catalogues

Rodrigo Voivodic, M. Lima+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2019

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 6

ひとこと要約

この論文では、線形物質パワー スペクトルとホール形成閾値のみを用いて、パラメータフリーで高速にダークマターホールのカタログを生成するExSHalosを提案する。Lagrangian摂動理論（LPT）と経路積分理論（excursion set theory）を活用し、ホールの適切な出現頻度、大スケールパワー スペクトル、バイスペクトル、および速度場を再現する。これにより、N体シミュレーションを経由せずに次世代の宇宙論的調査のための効率的なマock銀河カタログが可能になる。

ABSTRACT

We develop a new, simple, fast and parameter-free method to construct dark matter halo catalogues. This method requires as inputs only the linear matter power spectrum and the threshold density for halo formation in linear theory. It directly uses excursion set ideas and Lagrangian perturbation theory to produce halo catalogues with the correct abundance, large scale power spectrum, bispectrum and velocity field. These halo catalogues can be used for the fast construction of mock galaxy catalogues, allowing for the evaluation of covariance matrices for multiple observables. Because of its robustness and predictive nature, this method can be easily adapted to produce catalogues with e.g. primordial non-Gaussianities, modified theories of gravity and non-standard dark energy models, enabling detailed studies of these models in the context of next-generation surveys. We implement this method in a C code, and present numerical comparisons with theoretical predictions as well as full N-body cosmological simulations.

研究の動機と目的

• 共分散行列推定のための数千のホールカタログをN体シミュレーションで生成する計算上のボトルネックを解消すること。
• 自由パラメータに依存する既存の近似的手法の限界を克服し、非線形統計を正確に再現できない問題を解決すること。
• キャリブレーションを必要とせず、ホールの出現頻度、パワー スペクトル、バイスペクトル、および速度場を正確に捉える予測可能なパラメータフリーの手法を開発すること。
• N体シミュレーションの高コストを回避することで、初期非ガウス性や修正重力などの非標準的宇宙論的物理を効率的に探索可能にすること。
• マock銀河カタログの応用において、ホールの主要な統計的性質を保持するが、N体シミュレーションに比べて計算コストが著しく低い代替手法を提供すること。

提案手法

• Lagrangian摂動理論（LPT）、特に2LPTを用いて、ガウス確率場から粒子をずらして初期密度場を構築する。
• 経路積分理論を適用し、滑らかにされた密度場におけるピークを仮のホール中心として特定し、滑らかにされた場が臨界閾値に初めて通過する時点でホール質量を決定する。
• 各ピークのラグランジュ的座標をホール中心とし、ホール finder アルゴリズムを避けるために経路積分形式に基づいて質量を割り当てる。
• 時間発展を経ずに初期ガウス場から直接ホールカタログを生成し、N体統合を必要としない。
• Tinker et al. (2008) のホール質量関数と大スケールパワー スペクトルと一致させることで、理論的予測と整合性を保つ。
• 大規模な数のホールカタログを高速にスケーラブルに生成できるC言語による実装を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャリブレーションを必要としないパラメータフリーな手法が、N体シミュレーションと同等の出現頻度、パワー スペクトル、バイスペクトルを再現できるか？
• RQ2 非線形N体時間発展を経ないLPTに基づくずれが、大スケール構造とホールクラスタリングをどれほど正確に再現できるか？
• RQ3 経路積分法によるホール質量関数は、さまざまな質量スケールで理論的予測とN体シミュレーションと比較してどの程度一致するか？
• RQ4 この手法が、近い将来の大規模な宇宙論的調査に適した正しい共分散行列を持つマock銀河カタログを効率的に生成できるか？
• RQ5 初期非ガウス性や修正重力といった非標準的宇宙論的物理を含めるために、この手法をどのように拡張できるか？

主な発見

• ExSHalosは、すべての質量スケールでTinker et al. (2008) のホール質量関数を高い精度で再現しており、解像度の制限により低質量域でN体シミュレーションを上回る性能を示す。
• この手法は、理論的予測とN体シミュレーションの両方と一致する大スケールパワー スペクトルとバイスペクトルを正確に再現している。
• 完全な非線形時間発展を含まないにもかかわらず、ExSHalosにおけるLPTに基づくずれは、大規模ホールの位置と宇宙網構造を適切に保持しているが、小スケールでのクラスタリングはやや弱まっている。
• シミュレーションの解像度限界以下でも密度ピークを解像できるため、ExSHalosはN体シミュレーションよりも低質量ホールの出現頻度が高くなる。
• ExSHalosが生成するホールの速度場は、線形理論とシミュレーションで予想される統計と一致しており、この手法の予測能力が裏付けられている。
• この手法により、N体シミュレーションのコストの一部にとどまる計算コストで、正しい統計的性質を持つマock銀河カタログを生成可能となり、大規模な共分散行列推定が現実可能になった。