[논문 리뷰] Full-shape analysis with simulation-based priors: cosmological parameters and the structure growth anomaly

Mikhail M. Ivanov, Andrej Obuljen외 2명|arXiv (Cornell University)|2024. 09. 16.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전체 형태의 은하 군집 분석을 위한 시뮬레이션 기반 사전 분포 프레임워크를 제안하며, 큰 스케일에서는 효과적 장이론(EFT)을, 10,500개의 HOD 기반 은하 시뮬레이션을 통해 EFT 파라미터를 제약한다. 이로 인해 Ωₘ 및 σ₈에 대한 제약이 30–60% 향상되었으며, Ωₘ = 0.315 ± 0.010, σ₈ = 0.671 ± 0.027로 도출되었고, 이는 ΛCDM 모델에서의 구조 성장 갈등을 재확인한다.

ABSTRACT

We explore full-shape analysis with simulation-based priors, which is the simplest approach to galaxy clustering data analysis that combines effective field theory (EFT) on large scales and numerical simulations on small scales. The core ingredient of our approach is the prior density of EFT parameters which we extract from a suite of 10500 galaxy simulations based on the halo occupation distribution (HOD) model. We measure the EFT parameters with the field-level forward model, which enables us to cancel cosmic variance. On the theory side, we develop a new efficient approach to calculate field-level transfer functions using time-sliced perturbation theory and the logarithmic fast Fourier transform. We find that the cosmology dependence of EFT parameters of galaxies is approximately degenerate with the HOD parameters, and hence it can be ignored for the purpose of prior generation. We use neural density estimation to model the measured distribution of EFT parameters. Our distribution model is then used as a prior in a reanalysis of the BOSS full-shape galaxy power spectrum data. Assuming the $Λ$CDM model, we find significant ($\approx 30\%$ and $\approx 60\%$) improvements for the matter density fraction and the mass fluctuation amplitude, which are constrained to $Ω_{m}= 0.315 \pm 0.010$ and $σ_8 = 0.671 \pm 0.027$. The value of the Hubble constant does not change, $H_0= 68.7\pm 1.1$~km/s/Mpc. This reaffirms earlier reports of the structure growth tension from the BOSS data. Finally, we use the measured EFT parameters to constrain the galaxy-dark matter connection.

연구 동기 및 목표

• 은하 군집 분석에서 EFT 파라미터에 대한 강력한, 시뮬레이션 기반 사전 분포를 개발하여 비현실적인 노이즈 파rameter의 적분에 의존하는 것을 줄이기.
• HOD 시뮬레이션을 통해 현실적인 은하 형성 물리학을 반영하여 BOSS 전체 형태 데이터로부터 우주론적 제약을 향상시키기.
• HOD 기반 EFT 사전 분포의 우주론적 독립성을 시험하여, 다양한 우주론적 모델 간에 사전의 강건성을 확보하기.
• 적응된 잡음 스펙트럼을 포함한 EFT 프레임워크가 적응된 스케일까지 k ≈ 0.45 h Mpc⁻¹에서 적절히 기능함을 검증하기.
• EFT 파라미터의 불확실성이 우주론적 추론에 미치는 영향, 특히 BOSS 데이터에서 관측된 구조 성장 갈등의 맥락에서 정량화하기.

제안 방법

• 저자들은 Abacus 시리즈에서 유래한 10,500개의 HOD 기반 은하 시뮬레이션을 사용하여 EFT 파라미터의 사전 분포를 생성하였으며, 다양한 헬로 우성 모델을 통한 현실적인 은하 군집을 포괄한다.
• 우주적 분산 보정과 정확한 파라미터 추론을 가능하게 하기 위해, 현상 수준의 정방향 모델을 사용하여 시뮬레이션에서 직접 EFT 파라미터를 측정한다.
• 시간 분할 페르투베이션 이론 접근법과 로그 기반 빠른 푸리에 변환을 개발하여 현상 수준의 전이 함수를 효율적으로 계산한다.
• 신경 밀도 추정을 사용하여 측정된 EFT 파라미터 분포를 모델링하고, 이를 BOSS 전체 형태 데이터의 재분석에서 사전으로 사용한다.
• 큰 스케일에서는 EFT를, 작은 스케일에서는 시뮬레이션 기반 사전을 조합하여 비선형 영역에서의 페르투베이션 이론 붕괴를 피한다.
• 세 가지 Abacus 우주론 모델(σ₈ = 0.75, 0.86, 및 기준치)을 대상으로 EFT 파라미터의 우주론적 의존성을 시험하여, 우주론적 영향이 HOD 변동보다 약하다는 것을 확인함으로써, 다양한 우주론에 걸쳐 동일한 사전을 사용하는 것이 타당함을 입증한다.

Figure 1: A typical HOD mock galaxy distribution in real space (upper panel) and redshift space (lower panel) from our set (left), field-level EFT fit to it (center), and the residuals (right). The overdensity field has been smoothed with a $R=4\,h^{-1}{\text{Mpc}}$ 3D Gaussian filter, the depth of

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EFT 파라미터에 대한 시뮬레이션 기반 사전 분포가 전체 형태 은하 군집 분석에서 우주론적 제약을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 HOD 기반 시뮬레이션을 포함함으로써, 기존의 EFT 접근 방식과 비교해 Ωₘ 및 σ₈ 제약의 정밀도는 어떻게 향상되는가?
• RQ3 EFT 파라미터가 기초 우주론에 얼마나 의존하는가? 이러한 의존성을 사전 생성 시에 무시해도 안전한가?
• RQ4 EFT 프레임워크가 적응된 스케일까지 k ≈ 0.45 h Mpc⁻¹에서 적응된 잡음 스펙트럼을 정확히 기술하는가?
• RQ5 EFT 파라미터의 불확실성은 BOSS 데이터에서 관측된 구조 성장 갈등에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 물질 밀도 분율에 대한 제약이 30% 향상되어 Ωₘ = 0.315 ± 0.010을 도출하였다.
• 질량 변동 진폭에 대한 제약이 60% 향상되어 σ₈ = 0.671 ± 0.027를 도출하였다.
• 허블 상수는 H₀ = 68.7 ± 1.1 km/s/Mpc로 변화 없었으며, 이는 이전 BOSS 분석과 일치하였다.
• 고차항 보정이 포함된 EFT 모델은 적응된 스케일까지 k ≈ 0.45 h Mpc⁻¹에서 잡음 스펙트럼을 정확히 예측하였고, 잔차는 k⁴ 비례로 스케일링되었다.
• EFT 파라미터의 우주론적 의존성은 HOD 변동보다 약했으며, 이는 다양한 우주론에 걸쳐 동일한 사전을 사용하는 것이 타당함을 검증하였다.
• 준선형 스케일에서 더 얕은 잡음 스펙트럼 형태가 관측되지 않았으며, 이는 어두운 물질의 경우와는 다름을 시사하며, 적절한 고차항 보정이 있으면서도 EFT가 은하에 대해 여전히 유효함을 시사한다.

Figure 2: Cosmological parameters from the EFT-based full shape analysis of the BOSS power spectrum with conservative and informative simulation-based priors on EFT parameters. For comparison, the Planck 2018 results for $\Lambda$ CDM+ $m_{\nu}$ are also shown.