[논문 리뷰] Inferring the impact of feedback on the matter distribution using the Sunyaev Zel'dovich effect: Insights from CAMELS simulations and ACT+DES data

Shivam Pandey, Kai Lehman외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 군 규모의 헬로에서 발생하는 열적 수냐에프-젤드비치 효과(tSZ)를, CAMELS 유체역학 시뮬레이션과 ACT+DES 데이터와 함께 사용하여 물질 스펙트럼의 파워 스펙트럼에 대한 비바리온 피드백 효과를 제약한다. tSZ 관측량, 특히 통합 압력 $Y_{500c}$가 $k \sim 5\,h/{\rm Mpc}$에서 피드백에 의한 스펙트럼 억제를 10%의 정확도로 강력하게 제약함을 보여주며, 향후 설문조사에서는 $k=1\,h/{\rm Mpc}$에서 백분율 수준의 정밀도를 달성할 수 있다.

ABSTRACT

Feedback from active galactic nuclei and stellar processes changes the matter distribution on small scales, leading to significant systematic uncertainty in weak lensing constraints on cosmology. We investigate how the observable properties of group-scale halos can constrain feedback's impact on the matter distribution using Cosmology and Astrophysics with MachinE Learning Simulations (CAMELS). Extending the results of previous work to smaller halo masses and higher wavenumber, $k$, we find that the baryon fraction in halos contains significant information about the impact of feedback on the matter power spectrum. We explore how the thermal Sunyaev Zel'dovich (tSZ) signal from group-scale halos contains similar information. Using recent Dark Energy Survey (DES) weak lensing and Atacama Cosmology Telescope (ACT) tSZ cross-correlation measurements and models trained on CAMELS, we obtain $10\%$ constraints on feedback effects on the power spectrum at $k \sim 5\, h/{ m Mpc}$. We show that with future surveys, it will be possible to constrain baryonic effects on the power spectrum to $\mathcal{O}(<1\%)$ at $k = 1\, h/{ m Mpc}$ and $\mathcal{O}(3\%)$ at $k = 5\, h/{ m Mpc}$ using the methods that we introduce here. Finally, we investigate the impact of feedback on the matter bispectrum, finding that tSZ observables are highly informative in this case.

연구 동기 및 목표

• 작은 척도의 물질 분포에 대한 비바리온 피드백의 영향을 담고 있는 관측 가능한 탐지 기반을 식별하기 위해.
• 저질량 헬로에서 발생하는 tSZ 신호가 물질 파워 스펙트럼의 피드백 유도 억제에 대해 제약을 줄 수 있는지 평가하기 위해.
• CAMELS 시뮬레이션에 기반한 기계학습 모델을 개발하여 헬로 기체 관측량을 파워 스펙트럼과 이차 스펙트럼에 대한 피드백 효과로 매핑하기 위해.
• DESI와 CMB-S4와 같은 향후 설문조사에서 비바리온 피드백에 대한 제약 향상 가능성을 예측하기 위해.

제안 방법

• 헬로 기체 관측량(예: $f_b$, $Y_{500c}$)과 피드백에 의한 파워 스펙트럼 억제($\Delta P/P_{\rm DMO}$) 간의 관계를 학습하기 위해 CAMELS 시뮬레이션에 기반한 랜덤 포레스트 모델을 훈련시켰다.
• ACT+DES 간의 상관관계 측정값(약한 렌즈링 시프트와 tSZ 신호($y$))을 사용하여 $6\times10^{13}\,M_\odot$에서 $10^{14}\,M_\odot$ 질량 범위의 헬로에 대해 $Y_{500c}$를 추정하였다.
• 훈련된 모델을 측정된 $Y_{500c}$ 값에 적용하여 다양한 파수수 $k$에서 $\Delta P/P_{\rm DMO}$에 대한 제약 조건을 추론하였다.
• 전체 압력 프로파일과 통합 $Y_{500c}$ 간의 정보량을 탐색하여, 천체물리적 파arameter가 알려지지 않은 경우 전체 프로파일이 약간의 향상 효과를 보임을 발견하였다.
• 분석을 물질 이차 스펙트럼으로 확장하여, tSZ 관측량이 고차수 통계에 대한 비바리온 효과에 대해 여전히 정보를 제공함을 보였다.
• 향후 설문조사에 대한 예측을 위해 DESI와 CMB-S4의 예측 자료를 사용하여, 향상된 헬로 카탈로그와 tSZ 지도를 가정하였다.

Figure 1: Far left: Baryonic suppression of the matter power spectrum, $\Delta P/P_{\rm DMO}$ , in the CAMELS simulations. The dark-blue, red and orange shaded regions correspond to the $1\sigma$ range of the cosmic variance (CV) suite of TNG, SIMBA and Astrid simulations, respectively. The light-bl

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저질량 군 규모의 헬로에서 발생하는 tSZ 신호는 물질 파워 스펙트럼에 대한 비바리온 피드백의 영향을 제약할 수 있는가?
• RQ2 유체역학 시뮬레이션에서 다양한 피드백 구현 방식에 걸쳐 이러한 제약 조건은 얼마나 견고한가?
• RQ3 비바리온 피드백에 의한 파워 스펙트럼 억제에 대한 정보를 $f_b$와 $Y_{500c}$와 같은 헬로 기체 관측량이 어느 정도 담고 있는가?
• RQ4 CAMELS 시뮬레이션에 기반한 기계학습 모델이 관측된 tSZ 및 약한 렌즈링 데이터로부터 피드백 효과를 신뢰성 있게 추론할 수 있는가?
• RQ5 향후 설문조사에서는 비바리온 피드백 효과에 대한 물질 분포 제약을 어느 정도의 정밀도로 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 현재의 ACT+DES 데이터는 CAMELS 기반 훈련된 모델을 통한 tSZ 기반 추론을 통해 $k \sim 5\,h/{\rm Mpc}$에서 피드백에 의한 파워 스펙트럼 억제에 대해 10%의 제약 조건을 제공한다.
• 헬로 내 비율 $f_b$는 특히 작은 척도에서 파워 스펙트럼 억제와 강력하게 상관되며, van Daalen 등(2020)의 이전 결과를 확인한다.
• 저질량 헬로에서 $Y_{500c}$–$\Delta P/P_{\rm DMO}$ 관계에 산란이 존재하더라도, $\Omega_{\rm m}$이 함께 제공될 경우 랜덤 포레스트 모델이 $\Delta P/P_{\rm DMO}$에 대해 날카롭고 견고한 제약 조건을 달성한다.
• 전체 압력 프로파일을 $Y_{500c}$ 대신 사용할 경우 천체물리적 파arameter가 알려지지 않은 경우 제약 조건이 20–50% 향상되지만, $\Omega_{\rm m}$이 제공될 경우는 성과가 미미하다.
• tSZ 관측량은 또한 물질 이차 스펙트럼에 대한 비바리온 효과에 대해 중요한 정보를 담고 있으며, 고차수 통계에 대한 유용성을 시사한다.
• 향후 설문조사(DESI + CMB-S4)는 파워 스펙트럼에 대한 피드백 효과를 $k=1\,h/{\rm Mpc}$에서 $\mathcal{O}(<1\%)$ 수준, $k=5\,h/{\rm Mpc}$에서 $\mathcal{O}(3\%)$ 수준으로 제약할 것으로 예측된다.

Figure 2: Forecast constraints on the feedback parameters when $\log Y_{500c}/Y^{\rm SS}$ in two halo mass bins is treated as the observable. Even when the cosmological model is fixed (red contours), the AGN parameters (e.g. $A_{AGN2}$ ) remain effectively unconstrained (note that we impose a Gaussi