[論文レビュー] Information content in mean pairwise velocity and mean relative velocity between pairs in a triplet

Joseph Kuruvilla, Y. Akrami|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 71被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、三重対における対の平均相対速度を新しい宇宙論的プローブとして導入し、N体シミュレーションを用いて、ニュートリノ質量に対する情報量が平均対速度よりも13.4倍高いことを示している。Quijoteシミュレーション・スイートとフィッシャー行列解析を用い、ニュートリノ質量の和に対する1σ制約が0.0655 eVに達し、既存の手法を著しく上回り、今後のCMBおよび固有速度測定に強力な新ツールを提供する。

ABSTRACT

Velocity field provides a complementary avenue to constrain cosmological information, either through the peculiar velocity surveys or the kinetic Sunyaev Zel'dovich effect. One of the commonly used statistics is the mean radial pairwise velocity. Here, we consider the three-point mean relative velocity, i.e. the mean relative velocities between pairs in a triplet. Using halo catalogs from the Quijote suite of N-body simulations, we first showcase how the analytical prediction for the mean relative velocities between pairs in a triplet achieve better than 4-5% accuracy using standard perturbation theory at leading order for triangular configurations with a minimum separation of $r \geq 50\ h^{-1}$Mpc. Furthermore, we present the three-point relative velocity as a novel probe of neutrino mass estimation. We explore the full cosmological information content of the halo mean pairwise velocities, and the mean relative velocities between halo pairs in a triplet. We undertake this through the Fisher-matrix formalism using 22,000 simulations from the Quijote suite, and considering all triangular configurations with a minimum and a maximum separation of $20\ h^{-1}$Mpc and $120\ h^{-1}$Mpc, respectively. We find that the mean relative velocities in a triplet allows a 1$\sigma$ neutrino mass ($M_ u$) constraint of 0.065 eV, that is roughly 13 times better than the mean pairwise velocity constraint (0.877 eV). This information gain is not limited only to neutrino mass, but extends to other cosmological parameters: $\Omega_{\mathrm{m}}$, $\Omega_{\mathrm{b}}$, $h$, $n_{\mathrm{s}}$ and $\sigma_{8}$ achieving a gain of 8.9, 11.8, 15.5, 20.9 and 10.9 times respectively. These results illustrate the possibility of exploiting the mean three-point relative velocities for constraining the cosmological parameters accurately from future cosmic microwave background experiments and peculiar velocity surveys.

研究の動機と目的

• 三重対におけるハロー対の三重平均相対速度に含まれる宇宙論的情報量を定量化すること。
• 標準摂動理論を用いたこの三重統計量の解析的予測の正確さを評価すること。
• 特にニュートリノ質量に関して、三重対相対速度の制約力が、主な宇宙論的パラメータに与える影響を評価すること。
• 従来の二重平均対速度と比較して、三重統計量がもたらす情報量の向上を評価すること。
• 今後のCMBおよび固有速度測定に向けた、この統計量が宇宙論的観測量として実用可能かどうかを確立すること。

提案手法

• Quijoteスイートの22,000個のN体シミュレーションを用い、三角形配置におけるハロー対間の平均相対速度を測定した。
• 直接的な微分と共分散行列のシミュレーションからの測定値を用いて、フィッシャー行列形式で宇宙論的パrameter制約を計算した。
• 最小辺長20 h⁻¹Mpc、最大辺長120 h⁻¹Mpcの三角形配置を定義し、合計1,168個の固有配置を取得した。
• Rh₁₂ + Rh₂₃ を、三角形の二辺における平均相対速度の合計として定義した三重統計量とした。
• ハローのバイアスを速度統計量に反映させるために、スケールに依存しない質量依存バイアスモデルを導入した。
• 共分散行列の推定に、基準宇宙論の15,000回の再現を用い、誤差推定の信頼性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準摂動理論による三重平均相対速度の解析的予測は、r ≥ 50 h⁻¹Mpc の範囲で、一次近似においてどの程度正確にハロー・カタログの三重平均相対速度を再現できるか？
• RQ2 三重対におけるハロー対の三重平均相対速度は、二重平均対速度と比較して、どの程度の宇宙論的情報量を有するか？
• RQ3 三重速度統計量は、ニュートリノ質量および他の宇宙論的パラメータの制約をどの程度改善するか？
• RQ4 特にニュートリノ質量の増加に伴い、三重対速度統計量の形状依存性が宇宙論的パラメータに与える影響はどのようなか？
• RQ5 今後の運動論的サンヤエフ＝ツェルドビッチ効果または固有速度測定において、三重相対速度が実用的な宇宙論的観測量として成立するか？

主な発見

• 標準摂動理論の一次近似において、r ≥ 50 h⁻¹Mpc の範囲で、三重平均相対速度の解析的予測は4–5%未満の精度を達成している。
• 三重対におけるハロー対の三重平均相対速度は、ニュートリノ質量の和に対する1σ制約を0.0655 eVまで改善し、対速度の0.877 eVと比較して13.4倍の向上を達成した。
• 情報量の向上は他の宇宙論的パラメータに対しても拡大する：Ωₘは8.9倍、Ω_bは11.8倍、hは15.5倍、n_sは20.9倍、σ₈は10.9倍の向上。
• ニュートリノ質量の増加に伴い、Rh₁₂ + Rh₂₃ の形状依存性が顕著に強まり、感度が向上する。
• 三重速度統計量は、ハローのバイスペクトルと同等の宇宙論的制約力を持つことが定量的比較で示された。
• 同じビン幅（5 h⁻¹Mpc）を用いることで、対速度との公平な比較が維持され、ビン分割に起因する情報損失が最小限に抑えられた。