[論文レビュー] Ringing the universe with cosmic emptiness: void properties through a combined analysis of stacked weak gravitational and Doppler lensing

M. R. Hossen, Sonia Akter Ema+2 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 152被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、相対論的N体シミュレーション（Gevolution）を用いた3次元レイトラシングを用いて、弱引力レンズ効果とドップラー・レンズ効果を組み合わせることで、宇宙の空洞を新たに探査する手法を提案する。結果として、弱レンズ効果のみを用いる場合と比較して、空洞の密度プロファイルに対する制約が厳しくなり、ハロー・トレーサーのプロファイルともより良好に一致することが示された。これは、今後の低赤方偏移宇宙論的調査に強力な新ツールを提供する。

ABSTRACT

An essential aspect of cosmic voids is that these underdense regions provide complementary information about the properties of our Universe. Unlike dense regions, voids are avoided by matter and are less contaminated by baryonic processes. The first step to understanding the properties of cosmic voids is to correctly infer their mass profiles. In the literature, various techniques have been implemented. In this paper, we review them and implement a new technique that is based on Doppler lensing. We use a relativistic $N$-body code, extsc{Gevolution}, to generate cosmological mass perturbations and implement a three-dimensional ray-tracing technique, which follows the evolution of a ray-bundles. We focus on the various properties of cosmic voids (e.g. void size function, 2-point correlation function, and the density profile of voids), and compare the results with their universal trends. We show that when weak-lensing is combined with the Doppler lensing we obtain even tighter constraints than weak-lensing alone. We also obtain better agreement between density profiles within central parts of voids inferred from lensing and density profiles inferred from halo tracers. The implication of the result relevant to the ongoing and prospective low-redshift spectroscopic surveys is briefly discussed.

研究の動機と目的

• 弱引力レンズ効果とドップラー・レンズ効果の信号を組み合わせることで、宇宙の空洞質量プロファイルの制約を改善すること。
• レンズ効果信号の組み合わせが、推定された空洞密度プロファイルの精度に与える影響を評価すること。
• 宇宙論的シミュレーションにおけるレンズ効果から推定されたプロファイルと、ハロー・トレーサーから導出されたプロファイルとの整合性を評価すること。
• 近い将来の低赤方偏移分光調査において、ドップラー・レンズ効果を空洞の補完的プローブとして使用する可能性を示すこと。

提案手法

• 相対論的N体コードGevolutionを用いて、宇宙論的質量摂動をシミュレートした。
• 3次元レイトラシングを適用し、光束が時間的に変化する密度場を通過する過程を追跡し、弱レンズ効果の収束、歪み、拡大率を計算した。
• 銀河の特異速度から生じるドップラー収束を定量化するための3次元ドップラー・レンズ効果アルゴリズムを開発した。
• ダークマター粒子とハロー・トレーサーの両方の場から空洞を同定し、トレーサー間での空洞特性の比較を行った。
• 模擬レンズ効果データに対してMCMCサンプリングを実行し、パラメータの制約を予測した。
• レンズ効果から得られた密度プロファイルとハロー・トレーサーから得られたプロファイルを比較し、整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱引力レンズ効果とドップラー・レンズ効果を組み合わせることで、弱レンズ効果のみを用いる場合と比較して、宇宙の空洞質量プロファイルに対する制約が改善されるか。
• RQ2 レンズ効果信号から推定された空洞の密度プロファイルは、ハロー・トレーサーから導出されたプロファイルとどのように比較されるか。
• RQ3 トレーサーの選択（ダークマター粒子対ハロー）が、空洞のサイズ関数および2点相関関数に与える影響は何か。
• RQ4 ドップラー・レンズ効果は、低〜中赤方偏移領域において、レンズ測定の制約力にどの程度向上効果をもたらすか。
• RQ5 共同レンズ効果信号は、レンズ効果から推定されたプロファイルとハロー・トレーサーから得られたプロファイルとの一致をどの程度向上させるか。

主な発見

• 弱レンズ効果のせん断、拡大率、ドップラー・レンズ効果の収束を組み合わせた解析は、個々の信号よりも小さな信頼領域を示し、パラメータの制約が厳しくなっていることを示している。
• 弱レンズ効果の接線方向せん断は、すべての空洞半径グループにおいて、弱レンズ効果の拡大率よりも密度対比の制約がきつい。
• 共同レンズ効果信号により、レンズ効果から推定された密度プロファイルがハロー・トレーサーから得られたプロファイルとより良好に一致し、乖離が減少した。
• 空洞のサイズ関数および2点相関関数は、使用されたトレーサー場に強く依存しており、DMとハロー両方の場において、ハロー-空洞および空洞-空洞相関が類似していた。
• 中〜低赤方偏移領域では、ドップラー・レンズ効果信号が弱引力レンズ効果を上回り、空洞構造への感度が向上した。
• 結果として、ドップラー・レンズ効果が、近い将来の低赤方偏移調査（例：DESIや4MOST）において、物質分布をマッピングする補完的プローブとして有効であることが裏付けられた。