[論文レビュー] Strong Conformity and Assembly Bias: Towards a Physical Understanding of the Galaxy-Halo Connection in SDSS Clusters

Ying Zu, Yunjia Song+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 122被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、弱レンズ効果とアバンドランスマッチングを用いて、BCG-衛星の適合性とクラスターアセンブリーバイアスを定量化することで、SDSSクラスタにおける銀河-ハロー接続を新たな手法でモデル化する。強い適合性（ρcc = 0.60 + 0.08 ln(Mh/3×10¹⁴ M⊙)）が「ハロー質量等価」パラドックスを解消し、適合性＋アセンブリーバイアスモデルが観測されたハロー濃度とバイアスの違いをうまく再現する。低MBCG*クラスタは約10%バイアスが高く、約20%濃度が低いが、高MBCG*クラスタと比較して同程度のハロー質量を持つ。

ABSTRACT

Understanding the physical connection between cluster galaxies and massive haloes is key to mitigating systematic uncertainties in next-generation cluster cosmology. We develop a novel method to infer the level of conformity between the stellar mass of the brightest central galaxies~(BCGs) $M_*^{BCG}$ and the satellite richness $\lambda$, defined as their correlation coefficient $ ho_{cc}$ at fixed halo mass, using the abundance and weak lensing of SDSS clusters as functions of $M_*^{BCG}$ and $\lambda$. We detect a halo mass-dependent conformity as $ ho_{cc}{=}0.60{+}0.08\ln(M_h/3{ imes}10^{14}M_{\odot}/h)$. The strong conformity successfully resolves the "halo mass equality" conundrum discovered in Zu et al. 2021 -- when split by $M_*^{BCG}$ at fixed $\lambda$, the low and high-$M_*^{BCG}$ clusters have the same average halo mass despite having a $0.34$ dex discrepancy in average $M_*^{BCG}$. On top of the best-fitting conformity model, we develop a cluster assembly bias~(AB) prescription calibrated against the CosmicGrowth simulation, and build a conformity+AB model for the cluster weak lensing measurements. Our model predicts that with a ${\sim}20\%$ lower halo concentration $c$, the low-$M_*^{BCG}$ clusters are ${\sim}10\%$ more biased than the high-$M_*^{BCG}$ systems, in excellent agreement with the observations. We also show that the observed conformity and assembly bias are unlikely due to projection effects. Finally, we build a toy model to argue that while the early-time BCG-halo co-evolution drives the $M_*^{BCG}$-$c$ correlation, the late-time dry merger-induced BCG growth naturally produces the $M_*^{BCG}$-$\lambda$ conformity despite the well-known anti-correlation between $\lambda$ and $c$. Our method paves the path towards simultaneously constraining cosmology and cluster formation with future cluster surveys.

研究の動機と目的

• richness（λ）を固定した場合に、異なるBCG星質量（MBCG*）を持つクラスタが同じハロー質量を持つという、SDSSクラスタにおける「ハロー質量等価」パラドックスを解消すること。
• 固定ハロー質量における高MBCG*クラスタと低MBCG*クラスタの間で観測されたハロー濃度（c）とバイアス（b）の反比例関係を説明する物理的モデルを開発すること。
• 適合性とアセンブリーバイアスを統合した弱レンズ効果モデルを構築し、クラスタ調査からの宇宙論的推定値を向上させること。
• 観測された適合性およびアセンブリーバイアス信号が、投影効果に起因している可能性が低いことを示し、物理的解釈を強化すること。
• 在地および外部からの成長段階を含む二段階BCG成長モデル（in situ および ex situ）を提唱し、c-λの反比例関係にもかかわらず、MBCG*-c-λの複雑な関係を説明すること。

提案手法

• SDSSクラスタのアバンドランスマッチングと弱レンズ効果測定を用い、固定ハロー質量MhにおけるMBCG*とλの相関係数ρccを推定する。
• 適合性信号をρcc(Mh) = 0.60 + 0.08 ln(Mh/3×10¹⁴ M⊙)としてモデル化し、弱レンズ効果によるrichness-ハロー質量関係に照らして補正する。
• 小スケールΔΣと大スケール相互相関を用いて、ハロー濃度（c）とバイアス（b）を結ぶクラスターアセンブリーバイアス（AB）の定式化を構築する。
• MBCG*とλを観測可能な変数として組み込んだ、適合性＋ABモデルをΔΣプロファイルに適用し、ハロー特性を予測する。
• 在地星形成と遅発的ドライ合体による二段階BCG成長モデルを用いたトロイモデルを構築し、観測されたMBCG*-c-λ相関を説明する。
• 平均メンバー距離を背景汚染の代理変数として用いることで、投影効果へのロバストネスをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SDSSクラスタにおいて、固定ハロー質量におけるBCG-衛星適合性（MBCG*とλの相関）の程度はどの程度か？
• RQ2 固定λにおける異なるMBCG*で同じハロー質量を持つという観測された「ハロー質量等価」パラドックスは、どのように生じるのか？また、適合性によって解消可能か？
• RQ3 固定ハロー質量における高MBCG*クラスタと低MBCG*クラスタの間で観測されたハロー濃度とバイアスの反比例関係の物理的起源は何か？
• RQ4 観測された適合性およびアセンブリーバイアス信号は、クラスタ探索における投影効果や系外要因の影響をどれほど受けるか？
• RQ5 在地および外部からの成長段階を含む二段階BCG成長モデル（in situ および ex situ）は、c-λの反比例関係にもかかわらず、観測されたMBCG*-c-λ関係を説明できるか？

主な発見

• 本稿は、ハロー質量に依存する適合性を検出しており、ρcc = 0.60 + 0.08 ln(Mh/3×10¹⁴ M⊙) であり、固定ハロー質量におけるBCG星質量と衛星豊度の強い相関を示している。
• 強い適合性が「ハロー質量等価」パラドックスを効果的に解消する：固定λにおける低MBCG*クラスタと高MBCG*クラスタは、MBCG*に0.34 dexの差があるにもかかわらず、平均ハロー質量は同一である。
• 適合性＋アセンブリーバイアスモデルは、低MBCG*クラスタが高MBCG*クラスタと比較して約10%バイアスが高く（b = 3.11）、約20%濃度が低い（c = 5.87）と予測し、観測結果と整合している（高MBCG*クラスタ：b = 2.85、c = 6.95）。
• 投影効果が推定された適合性およびアセンブリーバイアス信号に与える影響は小さいことが示され、平均メンバー距離を汚染の代理変数として用いることで裏付けられた。
• 二段階BCG成長モデル（在地成長がハロー濃度に関連し、ドライ合体による外部成長が豊度に関連）は、観測されたMBCG*-c-λ関係を定性的に再現可能である。
• 本研究は、弱レンズ効果に物理的根拠を持たせ、観測的に補正されたモデルを確立し、同時に宇宙論とクラスタ形成を制約可能にした。今後のLSSTやEuclidのような次世代調査に向けた道筋を示した。