[논문 리뷰] Baryon Acoustic Oscillation detections from the clustering of massive halos and different density region tracers in TianNu simulation

Yu Liu, Liang Yu외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 04.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 TianNu N-body 시뮬레이션을 사용하여 델로이누이 삼각분할(DT) 공극을 이용한 비가속 진동(BAO) 탐지 방법을 저밀도 및 고밀도 영역의 추적자로 평가한다. 저밀도 영역 추적자(공극)를 사용할 경우 BAO 피크 강도가 모의 은하에 비해 약 10배 향상되며, 공극 반경 약 34 Mpc/h에서 최적의 탐지 성능을 보인다.

ABSTRACT

The Baryon Acoustic Oscillations (BAO) refer to the ripples of material density in the Universe. As the most direct density tracers in the universe, galaxies have been commonly used in studies of BAO peak detection. The spatial number density of galaxies, to a certain extent, reflects the distribution of the material density of our Universe. Using galaxies as matter tracers, we can construct more overlapping empty spheres (DT voids) than the matter tracers, via Delaunay Triangulation technique. We show that their radii excellently reflect the galaxy number density round them, and they can serve as reliable different density region tracers. Using the data from an unprecedented large-scale $N$-body simulation "TianNu", we conduct some fundamental statistical studies and clustering analysis of the DT voids. We discuss in detail the representative features of two-point correlation functions of different DT void populations. We show that the peak, the position of which corresponds to the average radius of data samples, is the most representative feature of the two-point correlation function of the DT voids. In addition, we also construct another voids, the disjoint voids, and investigate their some statistical properties and clustering properties. And we find that the occupied space of all disjoint voids accounts for about $45\%$ of the volume of the simulation box, regardless of the number density of mock galaxies. We also investigate the BAO detections based on different tracers, i.e. mock galaxies, low-density region tracers, and high-density region tracers respectively. Our results show that BAO intensities detected by low/high-density region tracers are enhanced significantly compared to the BAO detection by mock galaxies, for the mock galaxy catalogue with the number density of $7.52 imes10^{-5}$ $h^3$ Mpc$^{-3}$.

연구 동기 및 목표

• TianNu N-body 시뮬레이션에서 델로이누이 삼각분할(DT) 공극의 군집 성질이 천체 밀도장의 추적자로 어떻게 작용하는지 탐구한다.
• 대규모 구조 분석에서 DT 공극과 분리된 공극이 저밀도 및 고밀도 영역을 추적하는 데 얼마나 효과적인지 평가한다.
• 모의 은하, 저밀도 추적자(DT 공극), 고밀도 추적자(작은 DT 공극) 간의 BAO 탐지 성능을 비교한다.
• 다양한 밀도 영역에서 BAO 신호 강도를 최대화하는 데 최적의 공극 반경 컷을 규명한다.
• DT 공극이 대규모 구조 형성에 미치는 중성미자 효과를 탐지하기 위한 고차 통계 도구로서의 잠재력을 평가한다.

제안 방법

• TianNu 시뮬레이션의 모의 은하 분포에 델로이누이 삼각분할을 적용하여 DT 공극을 생성하며, 각 공극은 은하 4개로 이루어진 단체의 외접원이며, 그 안에 다른 은하가 존재하지 않는다.
• DT 공극의 반경에 기반해 저밀도 및 고밀도 영역 추적자를 정의한다: 큰 공극은 저밀도 영역을, 작은 공곡은 고밀도 영역을 추적한다.
• 다양한 DT 공극 집단의 이중상관함수(2PCF)를 계산하여 군집 특성과 BAO 피크 위치를 분석한다.
• 모의 은하와 공극 추적자에 대한 2PCF를 가우시안 프로세스 회귀(GPR)로 피팅하여 BAO 신호 강도를 정량적으로 비교한다.
• 겹치는 DT 공극에서 유도된 분리된 공극(중첩되지 않는 구)의 통계적 성질을 조사하여 부피 커버리지와 밀도 의존성을 평가한다.
• 시뮬레이션의 높은 동적 범위와 큰 부피를 활용해 통계 분석을 강력하게 수행하며, 특히 공극 크기 분포와 국소 은하 수밀도와의 상관관계를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DT 공극의 군집 성질은 국소 은하 수밀도와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ2 DT 공극은 천체망의 저밀도 및 고밀도 영역을 신뢰할 만한 추적자로 활용할 수 있는가?
• RQ3 저밀도 및 고밀도 영역에서 BAO 신호 탐지 성능을 최대화하기 위한 최적의 공극 반경 컷은 무엇인가?
• RQ4 모의 은하와 저밀도/고밀도 영역 추적자 간의 BAO 피크 강도는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 분리된 공극이 차지하는 부피는 모의 은하 수밀도에 얼마나 의존하는가?

주요 결과

• DT 공극의 이중상관함수에서 피크 위치는 평균 공극 반경과 강하게 상관관계가 있으며, 이는 기저 밀도장의 강력한 지표가 된다.
• 중복이 상당히 존재함에도 불구하고, DT 공극 반경은 국소 은하 수밀도를 신뢰성 있게 반영하여 밀도 추적자로의 활용 가능성을 검증한다.
• 분리된 공극이 차지하는 총 부피는 모의 은하 수밀도에 관계없이 약 45%로 일정하다.
• 모의 은하 수밀도가 $7.52 \times 10^{-5} \, h^3 \, \text{Mpc}^{-3}$일 경우, 저밀도 영역 추적자(DT 공극)를 사용할 때 BAO 피크 강도가 모의 은하에 비해 약 10배 향상된다.
• 저밀도 영역 추적자에서 BAO 신호 강도를 최대화하기 위한 최적의 공극 반경 컷은 $\sim 34 \, \text{Mpc}/h$이다.
• 고밀도 영역 추적자(작은 공극)의 경우, 공극 반경이 작아질수록 BAO 신호가 증가하지만, 표본 수 감소로 인한 노이즈 증가로 인해 제한된다.