[論文レビュー] Weighing cosmic structures with clusters of galaxies and the intergalactic medium

Matteo Esposito, Vid Iršič+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 54被引用数 28

ひとこと要約

本研究は、南極望遠鏡（SPT）の太陽・ゼルドビッチ効果によるクラスタ数え上げと、VLT/Keckによる高赤方偏移ライマン＝アルファフォレストスペクトルを組み合わせ、宇宙論的制約を検証する。低赤方偏移クラスタデータ（σ₈ = 0.74⁺⁰.⁰³₋₀.₀⁴）と高赤方偏移ライマン＝アルファデータ（σ₈ = 0.91⁺⁰.⁰³₋₀.０³）の間に3.3σの不一致が見つかり、IGMモデリングや無視されたDLA/LLS系の影響を考慮しても依然として残存する。これは、システムティックバイアスの可能性やΛCDMモデルへの挑戦を示唆している。

ABSTRACT

We present an analysis aimed at combining cosmological constraints from number counts of galaxy clusters identified through the Sunyaev-Zeldovich effect, obtained with the South Pole Telescope (SPT), and from Lyman α spectra obtained with the MIKE/HIRES and X-shooter spectrographs. The SPT cluster analysis relies on mass calibration based on weak lensing measurements, while the Lyman α analysis is built over mock spectra extracted from hydrodynamical simulations. The resulting constraints exhibit a tension (∼3.3σ) between the low σ8 values preferred by the low-redshift cluster data, σ8=0.74+0.03-0.04, and the higher one preferred by the high-redshift Lyman α data, σ8=0.91+0.03-0.03. We present a detailed analysis to understand the origin of this tension and to establish whether it arises from systematic uncertainties related to the assumptions underlying the analyses of cluster counts and/or Lyman α forest. We found this tension to be robust with respect to the choice of modelling of the IGM, even when including possible systematics from unaccounted sub-Damped Lyman α (DLA) and Lyman-limit systems (LLS) in the Lyman α data. We conclude that to solve this tension would require a large bias on the cluster mass estimate, or large unaccounted errors on the Lyman α mean fluxes. Our results have important implications for future analyses based on cluster number counts from future large photometric surveys (e.g. Euclid and LSST) and on larger samples of high-redshift quasar spectra (e.g. DESI and WEAVE surveys). If confirmed at the much higher statistical significance reachable by such surveys, this tension could represent a significant challenge for the standard ΛCDM paradigm.

研究の動機と目的

• 銀河クラスタの数え上げから得られる宇宙論的制約とライマン＝アルファフォレストパワー スペクトルから得られる制約の整合性を検証すること。
• 低赤方偏移クラスタデータと高赤方偏移ライマン＝アルファデータの間で観測されたσ₈の不一致が、システムティック不確実性に起因するかどうかを評価すること。
• その乖離がΛCDM宇宙論の欠陥を示唆するのか、あるいは質量校正やIGMモデリングにおける未モデル化のシステムティック要因に起因するのかを評価すること。

提案手法

• SPTのSZ効果を用いたクラスタ数え上げと、MIKE/HIRESおよびX-shooterからの高分解能ライマン＝アルファフォレストスペクトルを組み合わせる。
• SPTクラスタの弱引力レンズングに基づく質量校正と、水素動力学的シミュレーションを用いてモックライマン＝アルファスペクトルを生成する。
• 両データセットを同時に使用して、特にσ₈を含む宇宙論的パラメータについて、ベイズ統合推定を実施する。
• IGMの熱的歴史モデルを変化させたり、無視されたDLAおよびLLS吸収系を含めたりすることで、結果のロバストネスをテストする。
• 一方のデータセットからの事前分布をもう一方に適用し、互いの整合性を評価し、潜在的なバイアスを特定する。
• 結果をプランクCMB、eBOSS、および他の大規模構造プローブと比較し、不一致の文脈を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IGMモデリングにおけるシステムティック不確実性を考慮しても、SPTクラスタ数え上げと高赤方偏移ライマン＝アルファフォレストデータの間で観測された3.3σのσ₈不一致はロバストであるか？
• RQ2 ライマン＝アルファデータに無視されたDLAまたはLLS吸収系が、この不一致を解消できるか？
• RQ3 SPTクラスタの弱引力レンズングによる質量校正のバイアス、またはライマン＝アルファスペクトルの連続スペクトルフィッティング誤差が、この不一致の原因であるか？
• RQ4 両データセットの統合制約は、プランクCMBや他の大規模構造プローブからの制約とどのように比較されるか？
• RQ5 この不一致は、ΛCDMパラダイムからの根本的逸脱を示唆するのか、それとも未モデル化のシステムティック要因に起因するのか？

主な発見

• SPTクラスタデータ（σ₈ = 0.74⁺⁰.⁰³₋₀.０⁴）とライマン＝アルファフォレストデータ（σ₈ = 0.91⁺⁰.⁰³₋₀.０³）の間に3.3σの不一致が確認され、後者の方が高いσ₈を支持する。
• ライマン＝アルファ解析に無視されたDLAおよびLLS系を含めても、不一致は依然として残り、約2.8σにまで低下するにとどまる。
• SPTデータがライマン＝アルファ結果と整合するようにするには、SZ質量観測関係の振幅を3.4σ分下方にシフトさせる必要があり、これは弱引力レンズングによる質量推定に50％のバイアスがあることを示唆する。
• ライマン＝アルファ解析にSPT制約を事前分布として適用すると、平均透過率が独立な測定と矛盾する値をとるため、連続スペクトルフィッティングが主因でないことが除外される。
• 質量関数のパラメータ化の違い（ニュートリノ質量を含む）によっても不一致は解消されないため、不一致はデータの組み合わせそのものに内在するものであることが示される。
• 結果は、1つ以上のプローブに大きな無視されたシステムティックバイアスが存在するか、あるいはこの不一致がΛCDMの根本的逸脱を示唆する可能性があることを示唆しており、特にKiDS-1000 や DES-Y3 といった他の低σ₈プローブと整合的である点が注目される。