[論文レビュー] Multipolar moments of weak lensing signal around clusters. Weighing filaments in harmonic space

Gouin, C., R. Gavazzi+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 70被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、調和空間における銀河団周辺の弱引力レンズの多極モーメントを用いて、宇宙の網構造の接続性を統計的に探る手法を提案する。N体シミュレーションを用いて、大規模スケールの多重極モーメントのパワー過剰は、初期の網構造が団のポテンシャル井戸に収縮することで生じ、小規模スケールの歪みは非線形なフィラメント構造を示すことが示された。この信号は、Euclidや将来の調査において、質量の大きな団をスターミングすることで検出可能であり、バリオン物理学およびダークマターのモデルの探査に役立つ。

ABSTRACT

Context. Upcoming weak lensing surveys such as Euclid will provide an unprecedented opportunity to quantify the geometry and topology of the cosmic web, in particular in the vicinity of lensing clusters. Aims. Understanding the connectivity of the cosmic web with unbiased mass tracers, such as weak lensing, is of prime importance to probe the underlying cosmology, seek dynamical signatures of dark matter, and quantify environmental effects on galaxy formation. Methods. Mock catalogues of galaxy clusters are extracted from the N-body PLUS simulation. For each cluster, the aperture multipolar moments of the convergence are calculated in two annuli (inside and outside the virial radius). By stacking their modulus, a statistical estimator is built to characterise the angular mass distribution around clusters. The moments are compared to predictions from perturbation theory and spherical collapse. Results. The main weakly chromatic excess of multipolar power on large scales is understood as arising from the contraction of the primordial cosmic web driven by the growing potential well of the cluster. Besides this boost, the quadrupole prevails in the cluster (ellipsoidal) core, while at the outskirts, harmonic distortions are spread on small angular modes, and trace the non-linear sharpening of the filamentary structures. Predictions for the signal amplitude as a function of the cluster-centric distance, mass, and redshift are presented. The prospects of measuring this signal are estimated for current and future lensing data sets. Conclusions. The Euclid mission should provide all the necessary information for studying the cosmic evolution of the connectivity of the cosmic web around lensing clusters using multipolar moments and probing unique signatures of, for example, baryons and warm dark matter.

研究の動機と目的

• 銀河団周辺の宇宙の網構造の幾何学的・トポロジカルな性質を、弱引力レンズの多極モーメントを用いた統計的手法で探ること。
• 特に大スケールでの多重極モーメントパワーの過剰の起源を理解すること。
• 調和的歪みが、団の外縁部における非線形フィラメント構造をどの程度追跡するかを定量化すること。
• 現在および将来の弱引力レンズ調査において、これらの多極モーメント信号の検出可能性を推定し、形状ノイズと視線方向構造を考慮すること。
• 多極モーメントが、バリオンフィードバックや非標準的ダークマターモデルを含む宇宙論的物理学の探査にどの程度有用かを検討すること。

提案手法

• 著者らは、N体シミュレーションのPLUSから、現実的な団環境を再現するための仮想銀河団カタログを抽出した。
• 各団に対して、半径2つの環状領域（団のvirial半径内および外）における収束場の開口部多重極モーメントを計算した。
• 複数の団にわたって、これらの多重極モーメントの絶対値をスターミングし、角度分布の統計的推定器を構築した。
• 観測された多重極パワースペクトルを、2次摂動理論と球対称収縮モデルの予測と比較した。
• ノイズ予算は、固有の銀河の楕円度に起因する形状ノイズと、視線方向の大規模構造寄与を含めてモデル化した。
• 信号対ノイズ比の推定を、さまざまな赤方偏移、団質量、開口部スケールにおいて行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量の大きな団の周囲で大スケールの多重極モーメントパワーが過剰になる原因は何か？
• RQ2 多重極モーメントは、フィラメント構造の非線形的進化と、団のポテンシャル井戸への接続をどの程度反映しているか？
• RQ3 収束場の調和的歪みは、フィラメントに沿った物質の非対称的降着をどの程度追跡するか？
• RQ4 Euclidのような将来の弱引力レンズ調査で、多重極モーメントを検出するための期待される信号対ノイズ比はどの程度か？
• RQ5 多極モーメントは、標準的冷暗黒物質と比較して、温暖暗黒物質やバリオンフィードバック効果といった代替モデルを区別できるか？

主な発見

• 大スケールでの多重極モーメントパワーの過剰は、2次摂動理論が予測するように、初期の網構造が団の成長するポテンシャル井戸に収縮することで主に生じる。
• virial半径内では、四重極モーメントが支配的であり、団の主軸に沿った楕円形の質量分布を示している。
• より大きな半径では、小スケールの多重極モーメントが非線形的なフィラメント構造の鋭化をトレースしており、大スケールモードよりも急峻なパワースペクトルを示す。
• 多重極モーメントの検出に必要な信号対ノイズ比は、団質量と赤方偏移が大きいほど向上し、virial半径内では形状ノイズが支配的であり、外縁部では視線方向構造が支配的である。
• Euclidでは、m ≈ 10までの多極モーメントが、団の中心部および外部領域で高い精度で測定可能である。
• z ≈ 0.6まで約100個の質量の大きな団をスターミングすることで、0.1–1 Rvirの広い環状領域でm = 0, 2, 4の調和成分を検出可能となり、宇宙論モデルの検証が可能になる。