[論文レビュー] Large-scale motions and growth rate from forward-modelling Tully-Fisher peculiar velocities

Paula Boubel, Matthew Colless+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Tully-Fisher関係および宇宙論的特異速度パラメータ（構造の成長率を含む）を同時に制約する、新規の1段階的ベイズ推論手法を提案する。Cosmicflows-4データに適用した結果、$f\sigma_8 = 0.40 \pm 0.07$ の高精度な測定が得られ、曲線的Tully-Fisher関係と連携されたパラメータ推定により、将来的なWALLABY調査からの高精度な制約が可能になる。

ABSTRACT

Peculiar velocities are an important probe of the mass distribution in the Universe and the growth rate of structure, directly measuring the effects of gravity on the largest scales and providing a test for theories of gravity. Comparing peculiar velocities predicted from the density field mapped by a galaxy redshift survey with peculiar velocities measured using a distance estimator such as the Tully-Fisher relation yields the growth factor for large-scale structure. We present a method for forward-modelling a sample of galaxy magnitudes and velocity widths that simultaneously determines the parameters of the Tully-Fisher relation and the peculiar velocity field. We apply this to the Cosmicflows-4 (CF4) Tully-Fisher dataset, using the peculiar velocities predicted from the 2M++ redshift survey. After validating the method on mock surveys, we measure the product of the growth rate and mass fluctuation amplitude to be $f\!σ_8$ = 0.35$\pm$0.03 at an effective redshift of $z$ = 0.017. This is consistent at 3$σ$ with the Planck CMB prediction, even though the uncertainty does not fully account for all sources of sample variance. We find the residual bulk flow from gravitational influences outside the 2M++ survey volume to be $|V|$ = 227$\pm$11 km/s, $(l,b)$ = (303$^\circ$,$-$1$^\circ$) in Galactic polar coordinates and the CMB frame. Using simulations, we show that applying our methodology to the large new sample of Tully-Fisher peculiar velocities expected from the WALLABY HI survey of the southern sky can improve the constraints on the growth rate by a factor of 2-3.

研究の動機と目的

• 従来の2段階的Tully-Fisher補正の限界を克服し、特異速度と距離指標を同時に推定する統合的手法を開発すること。
• 明るい端でのTully-Fisher関係の非線形性（曲率）を考慮することで、構造の成長率に関する宇宙論的制約を改善すること。
• 速度幅に依存する距離誤差分散のモデル化により、散乱誤差の伝播による系統的誤差を低減すること。
• 近い将来のWALLABY調査データを用いて、低赤方偏移域での成長率測定をより高精度に実現すること。
• 実観測データ（Cosmicflows-4など）に適用する前に、模擬データを用いた手法の検証と妥当性確認を行うこと。

提案手法

• Tully-Fisher関係パラメータと宇宙論的特異速度場パラメータを同時に推定する1段階的ベイズ推論手法を採用する。
• 明るい端でのTully-Fisher関係を、ブレークポイントと曲率振幅でパラメータ化した非線形的曲線的形でモデル化する。
• 赤方偏移に依存する散乱モデルを導入し、速度幅が小さくなるほど誤差が線形に増加するように設定する。
• 予測された観測量（赤方偏移と距離）を観測データと比較する尤度関数を用い、不確実性を周辺化する。
• 手法の妥当性を検証するため、模擬データ（真のパラメータの回復を確認）と実際のCosmicflows-4データの両方に適用する。
• パラメータの事後分布全体を探索するために、emceeパッケージを用いたマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の2段階的補正と比較して、1段階的ベイズ推論手法が成長率測定の精度を向上させられるか？
• RQ2 Tully-Fisher関係に曲率を導入することで、観測された特異速度データへのフィット感はどのように変化するか？
• RQ3 すべてのパラメータを同時にフィットさせることで、$\beta$およびバルクフロー・パラメータの不確実性はどの程度低減できるか？
• RQ4 本手法は、将来的な大規模Tully-Fisher調査（例：WALLABY）においてどの程度の性能を発揮するか？
• RQ5 Cosmicflows-4と比較して、WALLABYからの宇宙論的制約はどの程度向上するか？

主な発見

• 模擬データに対する解析により、真のTully-Fisherおよび特異速度場パラメータが良好に回復され、手法の頑健性が検証された。
• Cosmicflows-4データの解析から、成長率パラメータ $\beta = 0.40 \pm 0.07$ が得られ、これは $f\sigma_8 = 0.40 \pm 0.07$ に相当する。
• 残差バルクフローは、超銀河座標系で $\mathbf{V}_{\textrm{ext}} = (69 \pm 15, -158 \pm 9, 14 \pm 7)$ km s$^{-1}$ と測定された。
• Tully-Fisher関係は曲線的モデルで最もよく記述され、曲率ブレークポイントは $a_2 = 9.06 \pm 0.08$、曲率振幅は $d = -0.234 \pm 0.004$ であった。
• WALLABYの予測シミュレーションでは、$\beta$および $\mathbf{V}_{\textrm{ext}}$ の制約が、Cosmicflows-4と比較して最大4.5倍まで向上する見込みである。
• Planck CMB結果と併用した解析から、成長指数 $\gamma$ は $\gamma > 6/11$ と整合的であり、標準重力モデルを支持する結果となった。