[論文レビュー] Exploring the baryonic effect signature in the Hyper Suprime-Cam Year 3 cosmic shear two-point correlations on small scales: the $S_8$ tension remains present

Ryo Terasawa, Xiangchong Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、$S_8$の矛盾を解消するためのバリアオンフィードバック効果としての解決策を検証するため、Hyper Suprime-Cam Year 3の宇宙せん断2点相関関数を0.28弧分まで分析する。非線形物質パワー スペクトルにDarkEmulator2を用い、柔軟なバリアオンモデルを適用した結果、顕著なバリアオン特徴は検出されず、$k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$で最大5%の抑制にとどまり、$S_8$の矛盾を解消するには不十分である。

ABSTRACT

The baryonic feedback effect is considered as a possible solution to the so-called $S_8$ tension indicated in cosmic shear cosmology. The baryonic effect is more significant on smaller scales, and affects the cosmic shear two-point correlation functions (2PCFs) with different scale- and redshift-dependencies from those of the cosmological parameters. In this paper, we use the Hyper Suprime-Cam Year 3 (HSC-Y3) data to measure the cosmic shear 2PCFs ($ξ_{\pm}$) down to 0.28 arcminutes, taking full advantage of the high number density of source galaxies in the deep HSC data, to explore a possible signature of the baryonic effect. While the published HSC analysis used the cosmic shear 2PCFs on angular scales, which are sensitive to the matter power spectrum at $k\lesssim 1~h{ m Mpc}^{-1}$, the smaller scale HSC cosmic shear signal allows us to probe the signature of matter power spectrum up to $k\simeq 20~h{ m Mpc}^{-1}$. Using the accurate emulator of the nonlinear matter power spectrum, DarkEmulator2, we show that the dark matter-only model can provide an acceptable fit to the HSC-Y3 2PCFs down to the smallest scales. In other words, we do not find any clear signature of the baryonic effects or do not find a systematic shift in the $S_8$ value with the inclusion of the smaller-scale information as would be expected if the baryonic effect is significant. Alternatively, we use a flexible 6-parameter model of the baryonic effects, which can lead to both enhancement and suppression in the matter power spectrum compared to the dark matter-only model, to perform the parameter inference of the HSC-Y3 2PCFs. We find that the small-scale HSC data allow only a fractional suppression of up to 5 percent in the matter power spectrum at $k\sim 1~h{ m Mpc}^{-1}$, which is not sufficient to reconcile the $S_8$ tension.

研究の動機と目的

• 小スケールでの宇宙せん断2点相関関数（ξ±）に、バリアオンフィードバック効果が検出可能な痕跡を残すかどうかを調査する。
• 高k領域での物質パワー スペクトルの抑制によって、$S_8$の矛盾を解消できるかどうかを評価する。
• 0.28弧分まで高精度のHSC-Y3データを用いて、非線形スケールまで$k \sim 20~h~{\rm Mpc}^{-1}$を探索する。
• 小スケールの宇宙せん断信号をフィットする際、ダークマターのみのモデルと柔軟なバリアオンモデルの妥当性を検証する。
• $\xi_-$と$\xi_{\pm}$におけるスケールカットの有効性を検討し、バリアオン特徴のモニタリングと同時に宇宙論の制約を求める。

提案手法

• 高密度の源銀河を用いて、HSC-Y3データから0.28弧分まで宇宙せん断2点相関関数（ξ₊, ξ₋）を測定する。
• 非線形物質パワー スペクトルを$k \lesssim 20~h~{\rm Mpc}^{-1}$の範囲で正確にモデル化するために、DarkEmulator2を用いる。
• 観測されたξ±をダークマターのみのモデルと、抑制と増幅の両方を許容する6パラメータの柔軟なバリアオンフィードバックモデルでフィットする。
• HSC-Y3の宇宙せん断尤度を用いてベイズ的パrameter推論を実施し、宇宙論的およびバリアオンパラメータを制約する。
• 数分未塔のスケールで$\xi_-$がバリアオン特徴にどれほど敏感であるかを評価し、$\xi_{\pm}$におけるスケールカットを用いてバリアオン効果と宇宙論的制約を分離する。
• エミュレータを用いて、高い精度でバリアオンフィードバック効果を予測されるせん断相関関数に伝搬する。

Figure 1: Cosmic shear two-point correlation functions: the lower-left diagonal panels are for $\xi_{+}(\theta)$ , while the upper-right diagonal panels are for $\xi_{-}(\theta)$ . Different panels show the auto- and cross-2PCFs for galaxies in two tomographic redshift bins; for instance, $\xi_{\pm}

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HSC-Y3の宇宙せん断データは、小スケール（≤0.28弧分）で物質パワー スペクトルにおけるバリアオンフィードバック効果の検出可能な痕跡を示すか？
• RQ2 バリアオンフィードバックが$k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$で物質パワー スペクトルを十分に抑制することで、$S_8$の矛盾を解消できるか？
• RQ3 ダークマターのみのモデルは、小スケールの宇宙せん断測定と依然として整合性を保っているか、それともバリアオン成分の導入が必要か？
• RQ4 もし存在するならば、数弧分未塔のスケールにおける$\xi_-$は、バリアオン効果の診断ツールとして利用可能か？
• RQ5 $\xi_{\pm}$におけるスケールカットをどの程度まで用いることで、宇宙論的パラメータとバリアオンフィードバックの両方の制約を同時に得られるか？

主な発見

• ダークマターのみのモデルは、0.28弧分までHSC-Y3の宇宙せん断2PCFを適切にフィットしており、顕著なバリアオン痕跡は検出されない。
• 小スケールデータを含めた際、$S_8$の値に系統的なシフトは観測されず、バリアオン効果が$S_8$の矛盾を解消していないことが示唆される。
• 柔軟なバリアオンフィードバックモデルでは、$k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$で物質パワー スペクトルの最大5%の抑制しか許容せず、$S_8$の矛盾を是正するには不十分である。
• 数分未塔のスケールにおける$\xi_-$相関関数はバリアオン特徴に敏感であり、このような効果のモニタリングに役立つ。
• $\xi_{\pm}$におけるスケールカットにより、宇宙論的パラメータとバリアオンフィードバックの両方の制約が同時に可能となり、モデルの分離が向上する。
• HSC-Y3データは中間段階ではあるが、$k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$でバリアオンフィードバックを5%のレベルで制約しており、最終データリリースではさらなる改善が期待できる。

Figure 2: Upper panel : fractional changes in the matter power spectrum $P_{\rm m}(k)$ at $z=0.5$ due to the baryonic effects with AGN feedback parameter of $\Theta_{\rm AGN}\equiv\log_{10}(T_{\rm AGN}/{\rm K})=8.0$ and changes in the cosmological parameter $\Omega_{\rm m}$ or $\sigma_{8}$ , respect