[논문 리뷰] Baryonic effects on weak-lensing two-point statistics and its cosmological implications

Irshad Mohammed, Davidé Martizzi외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 24.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 약한 렌즈링 이중점 통계에 은하핵, 허브블 플라즈마, 암흑물질의 등온 수축을 포함한 복합 물리적 효과를 통합한 분석적 홀로 모델을 개발한다. 고다중수준(ℓ_max = 8000)에서 바리온을 忽시할 경우 우주론적 파라미터에 최대 10σ의 편향이 발생하지만, 핵심 홀로 질량 파라미터 $M_{\rm crit}$를 포함시킴으로써 $M_{\rm crit}$와 $\Omega_m$, $\sigma_8$와 같은 우주론적 파라미터에 대해 편향이 없는 2% 이내의 제약 조건을 확보할 수 있다.

ABSTRACT

We develop an extension of extit{the Halo Model} that describes analytically the corrections to the matter power spectrum due to the physics of baryons. We extend these corrections to the weak-lensing shear angular power spectrum. Within each halo, our baryonic model accounts for: 1) a central galaxy, the major stellar component whose properties are derived from abundance matching techniques; 2) a hot plasma in hydrostatic equilibrium and 3) an adiabatically-contracted dark matter component. This analytic approach allows us to compare our model to the dark-matter-only case. Our basic assumptions are tested against the hydrodynamical simulations of Martizzi et. al. (2014), with which a remarkable agreement is found. Our baryonic model has only one free parameter, $M_{ m crit}$, the critical halo mass that marks the transition between feedback-dominated halos, mostly devoid of gas, and gas rich halos, in which AGN feedback effects become weaker. We explore the entire cosmological parameter space, using the angular power spectrum in three redshift bins as the observable, assuming a Euclid-like survey. We derive the corresponding constraints on the cosmological parameters, as well as the possible bias introduced by neglecting the effects of baryonic physics. We find that, up to $\ell_{max}$=4000, baryonic physics plays very little role in the cosmological parameters estimation. However, if one goes up to $\ell_{max}$=8000, the marginalized errors on the cosmological parameters can be significantly reduced, but neglecting baryonic physics can lead to bias in the recovered cosmological parameters up to 10$σ$. These biases are removed if one takes into account the main baryonic parameter, $M_{ m crit}$, which can also be determined up to 1-2\%, along with the other cosmological parameters.

연구 동기 및 목표

• 정밀 우주론에서 바리온 물리가 약한 렌즈링 이탈리아 각도 파wer 스펙트럼에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 홀로 내부에 중심은하, 허브블 플라즈마, 수축한 암흑물질을 포함한 분석적 홀로 모델을 개발하는 것.
• 유럽 천문계측기(Euclid)와 같은 향후 설계된 설문조사에서 바리온 물리 효과를 忽시할 경우 우주론적 파라미터 추정에 어떤 편향이 발생하는지 평가하는 것.
• 약한 렌즈링 데이터를 통해 바리온 파라미터 $M_{\rm crit}$가 우주론적 파라미터와 별도로 제약 가능할 수 있는지 확인하는 것.
• 우주론적 민감도와 바리온 편향을 균형 잡는 데 최적의 $\ell_{\rm max}$를 특정하는 것.

제안 방법

• 홀로 모델을 확장하여 중심은하(빈도 매칭 방식), 정적 평형 상태의 허브블 플라즈마, 그리고 등온 수축한 암흑물질을 포함한다.
• 반드시 자유 매개변수로 $M_{\rm crit}$를 도입하여 피드백 지배 영역과 가스 다량 영역 간의 전환점을 표시한다.
• 수치 유체역학 시뮬레이션(Martizzi et al., 2014)에 기반한 캘리브레이션을 수행하여 뛰어난 일치를 달성한다.
• 수정된 홀로 모델을 사용해 약한 렌즈링 이탈리아 파워 스펙트럼 $C_\ell$를 계산하고, 바리온 포함(BAR) 및 암흑물질 전용(DMO) 사례를 비교한다.
• 다중 적색편이 영역에 걸쳐 모의 Euclid 유사 데이터를 대상으로 피셔 매트릭스 분석을 수행하여 우주론적 제약 조건을 도출한다.
• 가우시안 및 비가우시안 공분산 성분을 모두 통합하지만, 비가우시안성을 완전히 모델링하지 않아 바리온 효과를 분리할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특히 AGN 피드백, 허브블 플라즈마, 암흑물질 수축이 약한 렌즈링 이탈리아 파워 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고다중수준에서 바리온 물리 효과를 忽시할 경우, 특히 고ℓ에서 우주론적 파라미터 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 약한 렌즈링 데이터를 통해 바리온 파라미터 $M_{\rm crit}$가 우주론적 파라미터와 별도로 제약 가능할 수 있는가?
• RQ4 어느 $\ell_{\rm max}$에서 바리온 물리 효과가 편향을 유발하는 데 주요한 영향을 미치며, 최적의 분석 구성은 무엇인가?
• RQ5 비가우시안 공분산 효과가 고ℓ에서 바리온 보정 효과에 비해 크기적으로 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 고다중수준 ℓ_{\rm max} = 8000에서 바리온을 忽시할 경우, $\sigma_8$와 같은 우주론적 파라미터에 최대 10σ의 편향이 발생한다.
• $M_{\rm crit}$를 분석에 자유 매개변수로 포함시킴으로써 우주론적 편향이 제거되며, 편향 없는 제약 조건이 가능해진다.
• $\ell_{\rm max} = 8000에서 $M_{\rm crit}$는 1–2% 정확도로 제약 가능하며, $\ell_{\rm max} = 1000$에서의 15% 제약보다 급격히 향상된다.
• $\Omega_m$와 $\sigma_8$는 각각 $\ell_{\rm max} = 8000에서 약 2%와 0.5%의 정밀도로 추정 가능하다.
• $M_{\rm crit}$의 분산은 $\ell_{\rm max} \approx 8000에서 안정화되며, 이 이상에서는 더 이상 제약 조건이 향상되지 않음을 시사한다.
• 고ℓ에서 비가우시안 공분산 효과는 바리온 보정 효과에 비해 열등하며, $\ell_{\rm max} = 10000에서 바리온 편향은 비가우시안 공분산보다 6배 이상 크다.