[論文レビュー] Measuring equality horizon with the zero-crossing of the galaxy correlation function

F. Prada, Anatoly Klypin+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、銀河二点相関関数のゼロクロッシングスケール $ r_c $ を用いて、物質-放射均衡時のホライズンサイズを測定する、ロバストで宇宙論に依存しない標準定規としての提案を行う。大規模な宇宙論的シミュレーションを用いて、$ r_c $ が非線形進化、赤方偏移空間歪み、銀河バイアスに影響を受けないことを示し、BOSS、BigBOSS、Euclidといった今後の調査で $ r_{\rm eq} \approx 85\,h^{-1}\text{Mpc} $ をパーセントレベルで測定可能であることを示している。

ABSTRACT

The size of the horizon at the matter-radiation equality is a key scale of the Big Bang cosmology that is directly related to the energy-matter content of the Universe. In this letter, we argue that this scale can be accurately measured from the observed clustering of galaxies in new large scale surveys. We demonstrate that the zero-crossing, r_c, of the 2-point galaxy correlation function is closely related to the horizon size at matter-radiation equality for a large variety of flat LCDM models. Using large-volume cosmological simulations, we also show that the pristine zero-crossing is unaltered by non-linear evolution of density fluctuations, redshift distortions and galaxy biases. This makes r_c a very powerful standard ruler that can be accurately measured, at a percent level, in upcoming experiments that will collect redshifts of millions of galaxies and quasars.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における物質-放射均衡時のホライズンスケールを測定するための、新たなロバストな標準定規を同定すること。
• BAO測定の限界を克服し、BAOピークよりも物質密度 $ \omega_{\rm m} $ に敏感な宇宙論的スケールを見つけること。
• 非線形進化、赤方偏移空間歪み、銀河バイアスの下でも、銀河相関関数 $ \xi(r) $ のゼロクロッシングが安定していることを示すこと。
• BOSS、BigBOSS、Euclidなどの今後の大規模な調査から高精度な宇宙論的制約を可能にするための基盤を提供すること。

提案手法

• LMukおよびMDR1シミュレーションを用いて、BDMホールォーファイナーを用いてダークマター・ハロを同定する大ボリュームの $ \Lambda $CDM 宇宙論モデルをシミュレートする。
• 最大円運動速度 $ V_{\rm max} $ を根拠にした非パラメトリックなアバンドランスマッチング法を適用し、観測された銀河バイアスレベルに一致するように銀河をハロに割り当てる。
• ELG、LRG、QSOに対応するバイアス $ b \approx 1.4, 2.0, 3.0 $ の異なる銀河サンプルについて、実空間および赤方偏移空間における二点銀河相関関数 $ \xi(r) $ を計算する。
• ゼロクロッシングスケール $ r_c $ を $ \xi(r_c) = 0 $ として定義し、宇宙論的モデルや観測効果の下での安定性を評価する。
• 統計的誤差スケーリングを用いて $ r_c $ の不確実性を推定し、2000万個の銀河でサブパーセントレベルの精度が達成可能であることを示す。
• シミュレートされた $ r_c $ を理論的予測と比較し、既存の観測データ（例：WiggleZ、SDSS）と照合することで、ロバスト性と検出可能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河相関関数のゼロクロッシングは、物質-放射均衡ホライズンを測定するための安定的かつ正確な標準定規として機能できるか？
• RQ2 非線形構造成長、赤方偏移空間歪み、銀河バイアスの下で、ゼロクロッシングスケール $ r_c $ は現実的な銀河形成モデルにおいてどれほど感度を示すか？
• RQ3 BAOピークよりも、$ r_c $ は物質密度 $ \omega_{\rm m} $ に対してより感度が高いプローブを提供するか？
• RQ4 BigBOSS や Euclid といった今後の調査で、$ r_c $ の測定における統計的不確実性はどの程度達成可能か？
• RQ5 赤方偏移空間クラスタリング測定における系統誤差（例：SDSSデータに影響を及ぼすもの）に対して、ゼロクロッシング信号はロバストか？

主な発見

• 約 $ 10^5 $ 個の銀河を含むシミュレートされた LRG に類似した銀河サンプルから、ゼロクロッシングスケール $ r_c \approx 129.8^{+7.2}_{-5.9}\,h^{-1}\text{Mpc} $ が測定された。
• ゼロクロッシング位置 $ r_c $ は非線形進化、赤方偏移空間歪み、銀河バイアスに対して感受性が低く、ロバストな宇宙論的標準定規である。
• 銀河数を10倍（例：BOSS）に増やすと $ r_c $ の不確実性は $ \sim 1.5\% $ に低下し、2000万個の銀河（例：BigBOSS、Euclid）では $ \sim 0.3\% $ にまで達する。
• 測定された $ r_c $ は理論的予測 $ r_{\rm eq} \approx 85\,h^{-1}\text{Mpc} $ と整合的であり、物質-放射均衡ホライズンとの関連を確認した。
• ゼロクロッシング法は、バインディングやフーリエモードの分割を伴わない全 $ P(k) $ シグナルを用いるため、BAO解析よりも高い信号対雑音比を提供する。
• BAOと比較して $ r_c \propto \omega_{\rm m}^{-1} $ であるため、$ \omega_{\rm m} $ に対するより感度の高いプローブを提供し、BAO測定で必要な複雑な再構成技術を回避できる。