[논문 리뷰] A non-linear solution to the $S_8$ tension II: Analysis of DES Year 3 cosmic shear

Calvin Preston, A. Amon외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 16.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 DES 연 3 은하 희석 데이터를 사용하여 $S_8$ 긴장 문제를 조사하며, 특히 파수수 $k \sim 0.2h\,{\rm Mpc}^{-1}$ 에서의 비선형적 억제가 약한 렌즈 측정치와 Planck의 $\Lambda{\rm CDM}$ 천체물리 모형 간의 일치를 가능하게 할 수 있음을 제안한다. 요구되는 억제 정도는 이전의 KiDS 기반 연구보다 덜 극단적이지만 여전히 유체역학적 시뮬레이션의 예측을 초월하여, 수정된 어두운 물질 또는 강화된 복사성 물질 피드백과 같은 비표준 물리가 필요할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Weak galaxy lensing surveys have consistently reported low values of the $S_8$ parameter compared to the $ extit{Planck}\ Λ m{CDM}$ cosmology. Amon & Efstathiou (2022) used KiDS-1000 cosmic shear measurements to propose that this tension can be reconciled if the matter fluctuation spectrum is suppressed more strongly on non-linear scales than assumed in state-of-the-art hydrodynamical simulations. In this paper, we investigate cosmic shear data from the Dark Energy Survey (DES) Year 3. The non-linear suppression of the matter power spectrum required to resolve the $S_8$ tension between DES and the $ extit{Planck}\ Λ m{CDM}$ model is not as strong as inferred using KiDS data, but is still more extreme than predictions from recent numerical simulations. An alternative possibility is that non-standard dark matter contributes to the required suppression. We investigate the redshift and scale dependence of the suppression of the matter power spectrum. If our proposed explanation of the $S_8$ tension is correct, the required suppression must extend into the mildly non-linear regime to wavenumbers $k\sim 0.2 h { m Mpc}^{-1}$. In addition, all measures of $S_8$ using linear scales should agree with the $ extit{Planck}\ Λ m{CDM}$ cosmology, an expectation that will be testable to high precision in the near future.

연구 동기 및 목표

• DES 연 3 은하 희석과 Planck의 $\Lambda{\rm CDM}$ 천체물리 모형 간의 $S_8$ 긴장을 해결하기 위해 비선형적 양자화된 물질 스펙트럼의 억제가 가능한지 테스트하는 것.
• 필요로 하는 억제 정도가 현재의 유체역학적 시뮬레이션 예측과 일치하는지, 아니면 비표준 어두운 물질과 같은 새로운 물리 법칙을 시사하는지 평가하는 것.
• 특히 $k \sim 0.2h\,{\rm Mpc}^{-1}$ 까지의 약간의 비선형 영역에서의 억제의 적색편이 및 스케일 의존성에 대해 검토하는 것.
• 비선형적 억제 가설이 옳다면, 모든 선형 스케일 $S_8$ 측정치가 Planck $\Lambda{\rm CDM}$ 천체물리 모형과 일치해야 하는지 평가하는 것.
• 검증 가능한 예측 제공: 향후 고정밀 선형 스케일 측정치(예: CMB 렌즈-은하 상관관계)가 제안된 해결책이 맞다면 $\Lambda{\rm CDM}$ 과 일치해야 한다.

제안 방법

• 물질 스펙트럼에 대한 현상학적 모형을 사용: $P_{\rm m}(k,z) = P^{\rm L}_{\rm m}(k,z) + A_{\rm mod}[P^{\rm NL}_{\rm m}(k,z) - P^{\rm L}_{\rm m}(k,z)]$, 여기서 $A_{\rm mod}$ 는 비선형 스펙트럼의 억제를 조절한다.
• DES 연 3 데이터에서의 은하 희석 이중상관함수에 이 모형을 적용하여, 천체물리 모델에 대해 최적화된 $A_{\rm mod}$ 를 추정하고, 다른 천체물리 모델에 대해 최대우도를 취한다.
• 적합도와 $S_8$ 제약 조건을 Planck $\Lambda{\rm CDM}$ 모형과 비교하여, $\chi^2$ 와 베이지안 증거를 통해 긴장 감소 정도를 평가한다.
• 특히 $k \sim 0.2h\,{\rm Mpc}^{-1}$ 까지의 약간의 비선형 영역에서 억제의 적색편이 및 파수수 의존성을 분석한다.
• CMB 렌즈-은하 상관관계 및 적색편이 공간 왜곡과 같은 독립적인 선형 스케일 $S_8$ 측정치와의 일치성을 평가한다.
• 이전의 KiDS 기반 분석과 비교하고 향후 관측 제약 조건을 고려하여 체계적 오차에 대한 결과의 강인성을 평가한다.

Figure 1 : The DES Y3 $\xi_{\pm}$ cosmic shear measurements of Amon et al. ( 2023 ) ; Secco, Samuroff et al. ( 2022 ) and best-fit theoretical models using three modelling choices. In red we show the best fit of variant 3: when ‘ $\Lambda{\rm CDM}$ -Optimised’ scale cuts are applied to mitigate the

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형적 양자화된 물질 스펙트럼의 억제가 DES 연 3 은하 희석 데이터의 $S_8$ 긴장을 해결할 수 있는가?
• RQ2 최근의 최첨단 유체역학적 시뮬레이션 예측과 비교할 때 요구되는 억제 정도($A_{\rm mod}$)는 어떻게 다른가?
• RQ3 억제 정도는 스케일 및 적색편이에 따라 달라지며, 특히 $k \sim 0.2h\,{\rm Mpc}^{-1}$ 에서의 약간의 비선형 영역까지 연장되는가?
• RQ4 비선형적 억제 가설이 옳다면, 모든 선형 스케일 $S_8$ 측정치는 Planck $\Lambda{\rm CDM}$ 천체물리 모형과 일치해야 하는가?
• RQ5 어떤 물리적 메커니즘(예: 복사성 물질 피드백 또는 비표준 어두운 물질)이 요구되는 억제를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• DES 연 3 데이터에서 $S_8$ 긴장을 해결하기 위해 요구되는 비선형적 양자화된 물질 스펙트럼의 억제 정도는 이전 KiDS-1000 연구보다 덜 극단적이며, $A_{\rm mod} \approx 0.75$ 로 추정된다(논문 I의 $\approx 0.69$ 와 대비).
• 비록 덜 극단적이지만, 여전히 최근의 유체역학적 시뮬레이션 예측을 초월하여 표준 복사성 피드백 외의 물리가 필요할 수 있음을 시사한다.
• 억제 정도는 약간의 비선형 영역까지 연장되어야 하며, 파수수 $k \sim 0.2h\,{\rm Mpc}^{-1}$ 에서도 상당한 영향을 미쳐야 데이터와 일치한다.
• 비선형적 억제 가설이 옳다면, CMB 렌즈-은하 상관관계 및 적색편이 공간 왜곡과 같은 선형 스케일이 주된 영향을 미치는 모든 $S_8$ 측정치는 Planck $\Lambda{\rm CDM}$ 모형과 일치해야 한다.
• 이 가설은 향후 고정밀 선형 스케일 측정치가 $\Lambda{\rm CDM}$ 과 일치함을 확인할 경우에만 타당성이 유지되며, 어떤 이격이 있으면 제안된 해결책은 배제된다.
• DES 결과는 향후 약한 렌즈 설문조사가 스케일 전반에서 물질 스펙트럼을 재구성하여 비선형 물리와 늦은 시기 $\Lambda{\rm CDM}$ 의 편차를 구별할 필요성을 강화한다.

Figure 2 : Left: Illustration of the strong degeneracy between $S_{8}$ and the phenomenological power spectrum suppression parameter $A_{\rm mod}$ and the inferred power suppression on non-linear scales. Left: the 68% and 95% constraints for DES $\xi_{\pm}$ statistics (without angular scale cuts) an