[論文レビュー] Relativistic asymmetries in the galaxy cross-correlation function

Elena Giusarma, Shadab Alam+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、重力赤方偏移効果に注目し、銀河自己相関関数における相対論的非対称性を調査する。一般相対性理論の摂動理論（GRPT）とニュートン的摂動理論を用いて、GRPTは大スケール（>50 Mpc/h）で相対論的効果を予測するが、小スケール（<20 Mpc/h）の非線形領域では重力赤方偏移が支配的であり、非線形ポテンシャルが推定子の符号変化を引き起こすキャンセル効果により、ニュートン的理論が非対称性をよりよく捉える。

ABSTRACT

We study the asymmetry in the two-point cross-correlation function of two populations of galaxies focusing in particular on the relativistic effects that include the gravitational redshift. We derive the cross-correlation function on small and large scales using two different approaches: General Relativistic and Newtonian perturbation theory. Following recent work by Bonvin et al., Gaztanaga et al. and Croft, we calculate the dipole and the shell estimator with the two procedures and we compare our results. We find that while General Relativistic Perturbation Theory (GRPT) is able to make predictions of relativistic effects on very large, obviously linear scales (r &gt; 50 Mpc/h), the presence of non-linearities physically occurring on much smaller scales (down to those describing galactic potential wells) can strongly affect the asymmetry estimators. These can lead to cancellations of the relativistic terms, and sign changes in the estimators on scales up to r ~ 50 Mpc/h. On the other hand, with an appropriate non-linear gravitational potential, the results obtained using Newtonian theory can successfully describe the asymmetry on smaller, non-linear scales (r &lt; 20 Mpc/h) where gravitational redshift is the dominant term. On larger scales the asymmetry is much smaller in magnitude, and measurement is not within reach of current observations. This is in agreement with the observational results obtained by Gaztnaga et al. and the first detection of relativistic effects (on (r &lt; 20 Mpc/h) scales) by Alam et al.

研究の動機と目的

• 2つの銀河集団の2点自己相関関数における相対論的非対称性を調査すること。
• 銀河集団の非対称性を破る重力赤方偏移およびその他の相対論的効果の役割を評価すること。
• 異なるスケールにおける一般相対性理論の摂動理論（GRPT）とニュートン的摂動理論の予測を比較すること。
• 非線形重力ポテンシャルへの感受性を含めた非対称性推定子のスケール依存性を特定すること。
• 理論モデルとN体シミュレーションの間の、シェル推定子の符号および大きさに関する不一致を解明すること。

提案手法

• 大スケールおよび小スケールにおいて、一般相対性理論の摂動理論（GRPT）とニュートン的摂動理論を用いて自己相関関数を導出する。
• 線形スケールではGRPT、非線形スケールではニュートン理論を用いて、ダイポールおよびシェル推定子を2通りのアプローチで計算する。
• 理論的計算ではスケールに依存しないバイアスモデルを適用し、スケール依存バイアスを含むN体シミュレーションと比較する。
• N体シミュレーションを用いて準ニュートン的アプローチを採用し、光度距離の摂動を含む完全な相対論的効果をモデル化する。
• 小スケールにおける銀河ポテンシャルの井戸の効果を再現するために、ニュートン理論に平均重力赤方偏移のオフセットを導入する。
• 理論的予測とN体シミュレーションの結果を比較し、シェル推定子の収束性および符号の一貫性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力赤方偏移を含む相対論的効果が、銀河自己相関関数の非対称性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 なぜGRPTとニュートン的摂動理論は小スケールでシェル推定子について異なる予測を下すのか？
• RQ3 銀河スケールの非線形重力ポテンシャルが、非対称性推定子の符号および大きさにどの程度影響を与えるか？
• RQ4 ニュートン的摂動理論は、重力赤方偏移が支配的である非線形スケールにおける相対論的非対称性を正確にモデル化できるか？
• RQ5 完全な相対論的効果を含むN体シミュレーションの予測と、理論モデルの予測はどの程度一致するか？

主な発見

• 大スケール（>50 Mpc/h）ではGRPTが相対論的非対称性を的確に予測するが、小スケールでの非線形効果がシェル推定子のキャンセルや符号変化を引き起こす。
• 小スケール（<20 Mpc/h）では、重力赤方偏移オフセットを導入したニュートン的摂動理論が、N体シミュレーションで観測されたシェル推定子の符号および大きさを正確に再現する。
• シェル推定子は小スケールの重力ポテンシャルに極めて感受性が高く、これはGRPTでは捉えられていないがN体シミュレーションには含まれている。
• 大スケールにおけるニュートン理論とGRPTの不一致は、ニュートンモデルが光度距離の摂動を欠いているためであり、この領域ではそれが支配的である。
• ニュートン理論に光度距離の摂動を組み込むと、GRPTおよびシミュレーションと一致するようになり、両者の統合的アプローチの必要性が示された。
• 本研究は、現在の観測がr < 20 Mpc/hのスケールで相対論的効果を検出可能であることを確認しており、Alamら（2015）による最初の検出と整合的である。