[論文レビュー] Mock catalogues of emission line galaxies based on the local mass density in dark-matter only simulations

Ken Osato, Takahiro Nishimichi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 60被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、ダークマターのみのN体シミュレーションにおいて、粒子の局所的質量密度閾値を用いて発光線スペクトル銀河（ELGs）を迅速かつ密度に基づいて配置する手法を提案する。この手法により、モックELGカタログの効率的生成が可能となり、大規模構造バイアス、環境分率、および縮小されたFinger-of-God効果といった主要なクラスタリング特性が、流体ダイナミクスシミュレーションと整合的である。このため、将来のスペクトロスコピック調査における共分散行列推定および系誤差の定量に最適である。

ABSTRACT

The high-precision measurement of spatial clustering of emission line galaxies (ELGs) is a primary objective for upcoming cosmological spectroscopic surveys. The source of strong emission of ELGs is nebular emission from surrounding ionized gas irradiated by massive short-lived stars in star-forming galaxies. As a result, ELGs are more likely to reside in newly-formed halos and this leads to a nonlinear relation between ELG number density and matter density fields. In order to estimate the covariance matrix of cosmological observables, it is essential to produce many independent realisations to simulate ELG distributions for large survey volumes. To this end, we present a novel and fast scheme to populate ELGs in dark-matter only $N$-body simulations based on local density field. This method enables fast production of mock ELG catalogues suitable for verifying analysis methods and quantifying observational systematics in upcoming spectroscopic surveys and can populate ELGs in moderately high-density regions even though the halo structure cannot be resolved due to low resolution. The power spectrum of simulated ELGs is consistent with results of hydrodynamical simulations up to fairly small scales ($\lesssim 1 h \, \mathrm{Mpc}^{-1}$), and the simulated ELGs are more likely to be found in filamentary structures, which is consistent with results of semi-analytic and hydrodynamical simulations. Furthermore, we address the redshift-space power spectrum of simulated ELGs. The measured multipole moments of simulated ELGs clearly exhibit a weaker Finger-of-God effect than those of matter due to infalling motions towards halo centre, rather than random virial motions inside halos.

研究の動機と目的

• 大規模なダークマターのみのシミュレーションにおいて、計算的に効率的なモックELGカタログを生成するための手法を開発すること。
• 高価な流体ダイナミクスシミュレーションに依存せずに、宇宙論的調査におけるELGクラスタリングをシミュレートする課題に対処すること。
• 将来のスペクトロスコピック調査における正確な共分散行列推定のため、多数の独立した再現を生成すること。
• 環境依存性や赤方偏移空間歪みを含む、現実的なELGクラスタリング特性を再現するモックカタログを生成すること。
• ハローファインディングアルゴリズムや高解像度のハローデータを必要とせず、ELG調査のシステム誤差のテストとパイプラインキャリブレーションを可能にすること。

提案手法

• ELGsは、スムージング粒子法（SPH）カーネルを用いて推定された局所的質量密度に基づき、ダークマター粒子に直接配置される。
• 最小および最大の2つの密度閾値が適用される：最小閾値は低密度領域を除外し、最大閾値は巨大ハローの中心部を避ける。
• ハローファインディングを回避するため、粒子そのものに直接処理を行うことで、ハローカタログに依存せず、さまざまなシミュレーションタイプに対してより頑健である。
• 密度閾値は観測されたELGバイアスと環境分率に一致するように調整され、流体ダイナミクスシミュレーションとの整合性が保たれる。
• 赤方偏移空間のパワー スペクトルおよび多重極モーメントが測定され、特にFinger-of-God効果の赤方偏移空間歪みが評価される。
• 異なる環境における速度-密度関係を調査するため、実空間の物質密度と赤方偏移空間のELG数密度のクロスパワー スペクトルが計算される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体ダイナミクスを用いない高速で粒子ベースの手法が、大規模構造調査におけるELGのクラスタリング特性を正確に再現できるか？
• RQ2 局所的密度閾値手法が、流体ダイナミクスシミュレーションで観測されたELGの環境分率（ノード、フィラメント、シート、ボイド）をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 ELGsが外側ハロー領域に位置することを反映して、物質やLRGsと比較してFinger-of-God効果がどの程度小さくなるか？
• RQ4 赤方偏移空間における物質密度とELG数密度のクロスパワー スペクトルが、線形バイアスのデグレダシーに依存しない成長率を抽出するために使用できるか？
• RQ5 ELGsの赤方偏移空間パワー スペクトルの多重極モーメントが、宇宙環境（例：フィラメント対ボイド）によってどのように異なるか？これは、それらの動的状態にどのような含意を持つのか？

主な発見

• モックELGカタログは、流体ダイナミクスシミュレーションで観測された環境分率を再現している：ノードにいるのはわずか20％にとどまり、大多数がフィラメントとシートに、ボイドにはほとんどが存在しない。
• 密度閾値が適切に調整された場合、モックELGの大きなスケールバイアスは、実際のELGの期待値と整合的である。
• モックELGのパワー スペクトルは、1 h Mpc⁻¹未満のスケールまで流体ダイナミクスシミュレーションと一致しており、小スケールクラスタリングの忠実度が良好であることを示している。
• 赤方偏移空間パワー スペクトルでは、物質よりも弱いFinger-of-God効果が観測され、ELGsが低いランダム速度を持つ外側ハロー領域に位置していることを反映している。
• 赤方偏移空間における物質密度とELG数密度のクロスパワー スペクトルの四重極モーメントは、明確でスケール依存の赤方偏移空間歪みの信号を示しており、その強度は成長率に比例し、線形バイアスに依存しない。
• 環境依存の赤方偏移空間歪みのパターンは、フィラメントやシートに存在するELGsが降着していることを示しており、線形理論の予測とは異なり、非線形力学的状態であることを示唆している。