[논문 리뷰] KiDS+VIKING+GAMA: Halo occupation distributions and correlations of satellite numbers with a new halo model of the galaxy-matter bispectrum for galaxy-galaxy-galaxy lensing

Laila Linke, P. Šimon외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 92인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 은하-은하-은하 렌즈 효과(G3L)를 위한 새로운 홀로 모델을 제안하며, 홀로 내부의 은하 수 분포(HOD)와 서로 다른 은하 집단 간의 은하 수 상관관계를 제약한다. KiDS+VIKING+GAMA 데이터로부터의 G3L 신호를 이용해, 10^13 M⊙ 이상의 홀로에서 빨간색과 파란색 은하의 위성 수 간에 강한 질량에 의존하는 상관관계(>3σ)를 발견하였으며, 이는 서로 다른 은하 집단 간의 위성 수가 상관관계가 없다는 기본 가정을 도전하며, 천체역학 및 몽키 카탈로그 응용을 위한 보다 정확한 HOD 추론을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Halo models and halo occupation distributions (HODs) are important tools to model the galaxy and matter distribution. We present and assess a new method for constraining the parameters of HODs using the gravitational lensing shear around galaxy pairs, galaxy-galaxy-galaxy-lensing (G3L). In contrast to galaxy-galaxy-lensing, G3L is sensitive to correlations between the per-halo numbers of galaxies from different populations. We use G3L to probe these correlations and test the default hypothesis that they are negligible. We derive a halo model for G3L and validate it with realistic mock data from the Millennium Simulation and a semi-analytic galaxy model. Then, we analyse public data from the Kilo-Degree Survey (KiDS), the VISTA Infrared Kilo-Degree Galaxy Survey (VIKING) and data from the Galaxy And Mass Assembly Survey (GAMA) to infer the HODs of galaxies at $z<0.5$ in five different stellar mass bins between $10^{8.5}h^{-2} M_\odot$ and $10^{11.5}h^{-2} M_\odot$ and two colours (red and blue), as well as correlations between satellite numbers. The analysis recovers the true HODs in the simulated data within the $68\%$ credibility range. The inferred HODs vary significantly with colour and stellar mass. There is also strong evidence ($>3\sigma$) for correlations, increasing with halo mass, between the numbers of red and blue satellites and galaxies with stellar masses below $10^{10} \Msun. Possible causes of these correlations are the selection of similar galaxies in different samples, the survey flux limit, or physical mechanisms like a fixed ratio between the satellite numbers of distinct populations. The decorrelation for halos with smaller masses is probably an effect of shot noise by low-occupancy halos. The inferred HODs can be used to complement galaxy-galaxy-lensing or galaxy clustering HOD studies or as input to cosmological analyses and improved mock galaxy catalogues.

연구 동기 및 목표

• 표준 이중 통계를 넘어서 은하 분포의 고차 상관관계를 탐색하기 위해 은하-은하-은하 렌즈 효과(G3L)를 위한 홀로 모델을 개발한다.
• 홀로 모델에서 서로 다른 은하 집단(예: 빨간색 대비 파란색)의 위성 수가 상관관계가 없다는 기본 가정이 실제 데이터에서 성립하는지 테스트한다.
• 실제 KiDS, VIKING, GAMA 데이터를 사용해 다섯 개인 별질량 구간과 두 가지 색상에서 HOD와 위성 수 간의 상관관계를 추론한다.
• 밀레니엄 시뮬레이션에서 유도된 반구상 은하를 활용한 몽키 데이터를 사용해 모델을 검증하여 체계적 오차에 대한 강건성을 확보한다.
• 향후 렌즈 조사에서 비포isson적 위성 수 분산과 상관관계가 있는 은하 집단을 포함할 수 있는 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 다른 은하 샘플 간의 위성 수 상관관계를 포함한 은하-물질 삼중스펙트럼과 G3L 신호를 위한 홀로 모델을 개발한다.
• 3차원 삼중스펙트럼을 2차원 각도 통계로 투영하기 위해 Limber 근사를 사용하여 G3L 신호의 효율적 계산을 가능하게 한다.
• 실제 데이터에서의 G3L 측정치를 이용해 HOD 파라미터와 위성 수 상관관계를 제약하기 위한 베이지안 추론 프레임워크를 구현한다.
• Henriques 등(2015)이 제시한 반구상 은하로 채워진 밀레니엄 시뮬레이션의 몽키 데이터를 사용해 모델을 검증하였으며, 진짜 HOD가 68% 신뢰구간 내에서 정확하게 복원됨을 확인하였다.
• 공개된 KiDS, VIKING, GAMA 데이터를 적용하여 GAMA로 선택된 렌즈와 KiDS+VIKING 원천을 이용해 다섯 개인 별질량 구간과 두 가지 색상에서 G3L를 측정하였다.
• SAM에서 실제 분산을 고려한 모델과 고려하지 않은 모델을 비교하여 비포isson적 위성 수 분산의 영향을 평가하였으며, 통계적 오차 범위 내에서 영향이 미미함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 은하 집단 간의 위성 수가 상관관계가 없다는 기본 가정이 실제 데이터에서 성립하는가?
• RQ2 G3L는 표준 은하-은하 렌즈 효과를 넘어서 HOD와 위성 수 상관관계를 제약하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ3 질량과 색상에 따라 0.5 이하의 홀로에서 HOD와 위성 수 상관관계는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 비포isson적 위성 수 분산은 G3L 기반 HOD 추론에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 이 G3L 홀로 모델은 천체역학 조사용 몽키 은하 카탈로그의 현실성 향상에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 모든 은하 샘플에 대해 시뮬레이션 데이터에서 진짜 HOD를 68% 신뢰구간 내에서 정확히 복원하였으며, 모델의 강건성을 확인하였다.
• 모델의 최적 적합 예측은 관측된 G3L 신호와 95% 신뢰수준에서 일치하여, 실제 데이터에서의 예측 능력을 검증하였다.
• 빨간색 은하는 ≳10^12 M⊙ 이상의 더 무거운 홀로에 선호적으로 존재하는 반면, 파란색 은하는 ≳10^11 M⊙ 이상의 홀로에 존재함을 확인하여 색상에 따라 홀로 점유가 뚜렷하게 달라지는 것을 시사한다.
• 빨간색과 파란색 위성 수 간에 강한 양의 상관관계(>3σ)가 존재하며, 홀로 질량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이며, 특히 ≳10^13 M⊙의 홀로에서 두드러진다.
• 저질량 홀로에서의 위성 수 분리(데코herence)는 물리적 반상관관계가 아니라 낮은 점유율 시스템에서 기인한 샷 노이즈 때문일 가능성이 높다.
• 추론된 HOD와 상관관계는 몽키 은하 카탈로그의 정교화와 은하 편향 모델링의 스케일 범위 확장을 통해 천체역학 추론 향상에 활용될 수 있다.