[논문 리뷰] Exploring the baryonic effect signature in the Hyper Suprime-Cam Year 3 cosmic shear two-point correlations on small scales: the $S_8$ tension remains present

Ryo Terasawa, Xiangchong Li외 11명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 29.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 $S_8$ 갈등을 해결하는 데 baryonic feedback 효과를 해소할 수 있는지 검증하기 위해 Hyper Suprime-Cam Year 3 은하진단 두점상관을 0.28 분면까지 분석한다. DarkEmulator2 비선형 물질 스펙트럼과 영리한 baryonic 모델을 사용하여, baryonic 서명은 유의미하지 않으며 $k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$ 에서 최대 5%의 억제만 관측되며, 이는 $S_8$ 갈등을 해결하기에는 부족하다.

ABSTRACT

The baryonic feedback effect is considered as a possible solution to the so-called $S_8$ tension indicated in cosmic shear cosmology. The baryonic effect is more significant on smaller scales, and affects the cosmic shear two-point correlation functions (2PCFs) with different scale- and redshift-dependencies from those of the cosmological parameters. In this paper, we use the Hyper Suprime-Cam Year 3 (HSC-Y3) data to measure the cosmic shear 2PCFs ($ξ_{\pm}$) down to 0.28 arcminutes, taking full advantage of the high number density of source galaxies in the deep HSC data, to explore a possible signature of the baryonic effect. While the published HSC analysis used the cosmic shear 2PCFs on angular scales, which are sensitive to the matter power spectrum at $k\lesssim 1~h{ m Mpc}^{-1}$, the smaller scale HSC cosmic shear signal allows us to probe the signature of matter power spectrum up to $k\simeq 20~h{ m Mpc}^{-1}$. Using the accurate emulator of the nonlinear matter power spectrum, DarkEmulator2, we show that the dark matter-only model can provide an acceptable fit to the HSC-Y3 2PCFs down to the smallest scales. In other words, we do not find any clear signature of the baryonic effects or do not find a systematic shift in the $S_8$ value with the inclusion of the smaller-scale information as would be expected if the baryonic effect is significant. Alternatively, we use a flexible 6-parameter model of the baryonic effects, which can lead to both enhancement and suppression in the matter power spectrum compared to the dark matter-only model, to perform the parameter inference of the HSC-Y3 2PCFs. We find that the small-scale HSC data allow only a fractional suppression of up to 5 percent in the matter power spectrum at $k\sim 1~h{ m Mpc}^{-1}$, which is not sufficient to reconcile the $S_8$ tension.

연구 동기 및 목표

• 소규모 각도에서 은하진단 두점상관(ξ±)에 baryonic feedback 효과가 감지 가능한 서명을 남기는지 조사한다.
• 고 $k$ 에서 물질 스펙트럼의 전력 억제를 통해 baryonic 물리학이 $S_8$ 갈등을 해결할 수 있는지 평가한다.
• 0.28 분면까지의 고정밀 HSC-Y3 데이터를 사용하여 비선형 영역까지 $k \sim 20~h~{\rm Mpc}^{-1}$ 를 탐색한다.
• 소규모 은하진단 신호를 맞추는 데 있어 어둠직물질 전용 모델과 영리한 baryonic 모델의 타당성을 시험한다.
• $\xi_-$ 와 $\xi_{\pm}$ 의 크기 자르기(scale-cuts)가 baryonic 특징을 모니터링하고 동시에 천체물리학을 제약하는 데 유용한지 탐색한다.

제안 방법

• 고원자성 은하 밀도를 사용하여 HSC-Y3 데이터에서 0.28 분면까지 은하진단 두점상관 함수(ξ₊, ξ₋)를 측정한다.
• DarkEmulator2 를 사용하여 $k \lesssim 20~h~{\rm Mpc}^{-1}$ 영역에서 비선형 물질 스펙트럼을 정확하게 모델링한다.
• 관측된 ξ± 를 어둠직물질 전용 모델과 억제 및 증가를 모두 允許하는 6개 매개변수의 영리한 baryonic 피드백 모델로 맞춘다.
• HSC-Y3 은하진단 우도를 사용하여 베이지안 매개변수 추론을 수행하여 천체물리학적 및 baryonic 매개변수를 제약한다.
• 몇 분면 미만의 영역에서 $\xi_-$ 가 baryonic 특징에 얼마나 민감한지 평가하고, $\xi_{\pm}$ 의 크기 자르기를 통해 baryonic 효과와 천체물리학 제약을 분리한다.
• 에뮬레이터를 사용하여 baryonic 피드백 효과를 고정밀도로 예측된 휘어짐 상관 함수에 전파한다.

Figure 1: Cosmic shear two-point correlation functions: the lower-left diagonal panels are for $\xi_{+}(\theta)$ , while the upper-right diagonal panels are for $\xi_{-}(\theta)$ . Different panels show the auto- and cross-2PCFs for galaxies in two tomographic redshift bins; for instance, $\xi_{\pm}

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HSC-Y3 은하진단 데이터는 소규모 영역(≤0.28 분면)에서 물질 스펙트럼의 baryonic feedback 효과에 감지 가능한 서명을 보이는가?
• RQ2 baryonic feedback 가 $k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$ 에서 물질 스펙트럼의 전력을 충분히 억제하여 $S_8$ 갈등을 해결할 수 있는가?
• RQ3 어둠직물질 전용 모델은 여전히 소규모 은하진단 측정치와 일치하는가, 아니면 baryonic 성분이 필요한가?
• RQ4 소규모 분면 영역에서 $\xi_-$ 는 baryonic 효과가 존재할 경우 진단 도구로 사용될 수 있는가?
• RQ5 $\xi_{\pm}$ 의 크기 자르기가 천체물리학 매개변수와 baryonic 피드백을 동시에 제약하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 어둠직물질 전용 모델은 0.28 분면까지 HSC-Y3 은하진단 2PCF에 적절한 맞춤을 제공하여 강력한 baryonic 서명이 없음을 시사한다.
• 소규모 데이터를 포함시킬 때 $S_8$ 값에 체계적인 이동이 관측되지 않아 baryonic 효과가 $S_8$ 갈등을 해결하지 못함을 시사한다.
• 영리한 baryonic 피드백 모델은 $k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$ 에서 물질 스펙트럼의 최대 5% 억제만 허용하며, 이는 $S_8$ 갈등을 조율하기에는 부족하다.
• 몇 분면 미만의 스케일에서 $\xi_-$ 상관 함수는 baryonic 특징에 민감하며 이러한 효과의 모니터링 도구로 사용될 수 있다.
• $\xi_{\pm}$ 의 크기 자르기는 천체물리학 매개변수와 baryonic 피드백을 동시에 제약할 수 있게 하여 모델 간 분리 성능을 향상시킨다.
• HSC-Y3 데이터는 중간 단계이지만, 이미 $k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$ 에서 baryonic 피드백을 5% 수준으로 제약하고 있으며, 최종 데이터 릴리스에선 향상 가능성이 있다.

Figure 2: Upper panel : fractional changes in the matter power spectrum $P_{\rm m}(k)$ at $z=0.5$ due to the baryonic effects with AGN feedback parameter of $\Theta_{\rm AGN}\equiv\log_{10}(T_{\rm AGN}/{\rm K})=8.0$ and changes in the cosmological parameter $\Omega_{\rm m}$ or $\sigma_{8}$ , respect