[論文レビュー] The MillenniumTNG Project: The hydrodynamical full physics simulation and a first look at its galaxy clusters

Rüdiger Pakmor, Volker Springel+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

ミレニアムTNGプロジェクトは、(740 Mpc)³の大型ボリュームで、バリオン質量分解能3.1×10⁷ M☉の高解像度な宇宙構造形成の流体ダイナミクスシミュレーションMTNG740を提示する。このシミュレーションは、観測された銀河団のスケーリング関係、半径方向プロファイル、およびコンプトン-y信号をうまく再現しており、PlanckおよびSDSS-8 RedMaPPerデータと良好な一致を示しているが、SZに基づく質量推定値には0.2 dexの下方補正が必要であることが判明した。

ABSTRACT

Cosmological simulations are an important theoretical pillar for understanding nonlinear structure formation in our Universe and for relating it to observations on large scales. In several papers, we introduce our MillenniumTNG (MTNG) project that provides a comprehensive set of high-resolution, large volume simulations of cosmic structure formation aiming to better understand physical processes on large scales and to help interpreting upcoming large-scale galaxy surveys. We here focus on the full physics box MTNG740 that computes a volume of $(740\,\mathrm{Mpc})^3$ with a baryonic mass resolution of $3.1 imes~10^7\,\mathrm{M_\odot}$ using extsc{arepo} with $80.6$~billion cells and the IllustrisTNG galaxy formation model. We verify that the galaxy properties produced by MTNG740 are consistent with the TNG simulations, including more recent observations. We focus on galaxy clusters and analyse cluster scaling relations and radial profiles. We show that both are broadly consistent with various observational constraints. We demonstrate that the SZ-signal on a deep lightcone is consistent with Planck limits. Finally, we compare MTNG740 clusters with galaxy clusters found in Planck and the SDSS-8 RedMaPPer richness catalogue in observational space, finding very good agreement as well. However, {\it simultaneously} matching cluster masses, richness, and Compton-$y$ requires us to assume that the SZ mass estimates for Planck clusters are underestimated by $0.2$~dex on average. Thanks to its unprecedented volume for a high-resolution hydrodynamical calculation, the MTNG740 simulation offers rich possibilities to study baryons in galaxies, galaxy clusters, and in large scale structure, and in particular their impact on upcoming large cosmological surveys.

研究の動機と目的

• 宇宙スケールにおけるバリオン物理学を捉える大規模ボリューム・高解像度の流体ダイナミクスシミュレーションを構築すること。
• IllustrisTNG銀河形成モデルの完全な適用を、これまでにない大規模なシミュレーションボリュームで実現すること。
• PlanckおよびSDSS-8 RedMaPPerからの観測データと直接比較可能な銀河団のシミュレーションを提供し、不確実な質量推定値に依存しないこと。
• シミュレートされた銀河団と観測された銀河団のオブザーバブル（例：豊度、コンプトン-y）を比較することで、観測的銀河団質量推定値におけるバイアスを定量化すること。
• 将来的な大規模宇宙論的調査（例：DESIやEuclid）の解釈に使用可能な、公開可能な高精度なシミュレーション基盤を提供すること。

提案手法

• 806億個のセルを用いて、(740 Mpc)³のボリュームをarepoコードでシミュレートし、完全なIllustrisTNG銀河形成モデルを適用する。
• 適応メッシュ細分化とスムージング粒子流体力学を用いて、高解像度で銀河形成およびフィードバック過程を解像する。
• z=5までの深いライトコーンを生成し、宇宙時間にわたるSunyaev-Zel'dovich効果を研究するためのコンプトン-yパラメータを計算する。
• 観測技術に一致する一貫性のある開口部定義（球形および円柱形）を用いて、銀河団オブザーバブル（豊度、コンプトン-y、半径方向プロファイル）を測定する。
• 大開口部測定における背景コンプトン-y寄与を分離し、固有の銀河団信号を抽出するためにマッチドフィルタリングを適用する。
• 豊度とコンプトン-yを連合オブザーバブルとして用い、シミュレートされた銀河団を観測空間でPlanckおよびSDSS-8 RedMaPPer銀河団と直接比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MTNG740シミュレーションにおける銀河団は、流体的および熱的量の観測されたスケーリング関係と半径方向プロファイルをどの程度再現しているか？
• RQ2 深さのあるライトコーンにおけるシミュレートされたコンプトン-y信号は、宇宙背景放射のSunyaev-Zel'dovich効果に関するPlanck制約とどの程度一致するか？
• RQ3 シミュレートされた銀河団の豊度とコンプトン-yは、PlanckおよびSDSS-8 RedMaPPerカタログで測定された値とどの程度一致するか？
• RQ4 PlanckのSZに基づく質量推定値とMTNG740シミュレーションにおける真の質量との間に生じる乖離の原因は何か？
• RQ5 このシミュレーションは、将来の宇宙論的調査における観測バイアスを補正するのに使用可能か？

主な発見

• MTNG740シミュレーションは、X-COP調査からの観測と広く一致するスケーリング関係および半径方向プロファイルを生成しており、特にクールコアでない銀河団において顕著である。
• 深いライトコーンにおけるシミュレートされたコンプトン-y信号は、Planckの制約と一致しており、大スケールでの熱的バリオン物理学の取り扱いの妥当性が裏付けられている。
• 大きな開口部（5 R₅₀₀）では、コンプトン-yの背景寄与が測定信号に顕著に寄与するため、偏りのない銀河団信号抽出にはマッチドフィルタリングが不可欠である。
• 観測空間で直接比較した結果、MTNG740銀河団は豊度とコンプトン-yにおいてPlanckおよびSDSS-8 RedMaPPer銀河団と良好に一致するが、その際PlanckのSZに基づくM₅₀₀質量推定値に0.2 dexの下方補正を施す必要がある。
• この乖離は、他のSZ調査でも最近適用された弱引力レンズおよび豊度に基づく補正と一貫しており、PlanckにおけるSZ質量の系統的過小評価を示唆している。
• このシミュレーションは、現在のTNGフィードバックモデルがクールコア銀河団を再現するのに困難を伴うことを明らかにし、大規模ジェットを伴うAGNフィードバックモデルの強化が大規模系において必要であることを示唆している。