[논문 리뷰] Large-scale motions and growth rate from forward-modelling Tully-Fisher peculiar velocities

Paula Boubel, Matthew Colless외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Tully-Fisher 관계와 은하계 특성 속도 파ram터, 특히 구조 성장률을 동시에 제약하는 새로운 일단계 베이지안 정방향 모델링 방법을 제안한다. Cosmicflows-4 데이터에 적용하여 $f\sigma_8 = 0.40 \pm 0.07$의 정밀 측정치를 도출하였으며, 밝은 부분에서 곡선 Tully-Fisher 관계와 공동 매개변수 추정을 통해 정확도가 향상되어 향후 WALLABY 설문조사에서 고정밀 제약을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Peculiar velocities are an important probe of the mass distribution in the Universe and the growth rate of structure, directly measuring the effects of gravity on the largest scales and providing a test for theories of gravity. Comparing peculiar velocities predicted from the density field mapped by a galaxy redshift survey with peculiar velocities measured using a distance estimator such as the Tully-Fisher relation yields the growth factor for large-scale structure. We present a method for forward-modelling a sample of galaxy magnitudes and velocity widths that simultaneously determines the parameters of the Tully-Fisher relation and the peculiar velocity field. We apply this to the Cosmicflows-4 (CF4) Tully-Fisher dataset, using the peculiar velocities predicted from the 2M++ redshift survey. After validating the method on mock surveys, we measure the product of the growth rate and mass fluctuation amplitude to be $f\!σ_8$ = 0.35$\pm$0.03 at an effective redshift of $z$ = 0.017. This is consistent at 3$σ$ with the Planck CMB prediction, even though the uncertainty does not fully account for all sources of sample variance. We find the residual bulk flow from gravitational influences outside the 2M++ survey volume to be $|V|$ = 227$\pm$11 km/s, $(l,b)$ = (303$^\circ$,$-$1$^\circ$) in Galactic polar coordinates and the CMB frame. Using simulations, we show that applying our methodology to the large new sample of Tully-Fisher peculiar velocities expected from the WALLABY HI survey of the southern sky can improve the constraints on the growth rate by a factor of 2-3.

연구 동기 및 목표

• 기존의 두 단계 Tully-Fisher 교정 방식의 한계를 극복하기 위해 특성 속도와 거리 지표를 동시에 추정하는 공동 추론 방법을 개발한다.
• 빛나는 부분에서 Tully-Fisher 관계의 곡률을 고려함으로써 구조 성장률에 대한 우주론적 제약을 향상시킨다.
• 속도 폭에 따른 오차 분산을 모델링함으로써 산란 전파로 인한 체계적 오차를 줄인다.
• 향후 출시 예정인 WALLABY 설문조사 데이터를 활용해 저 redshift 영역에서 성장률 측정을 더욱 정밀하게 수행할 수 있도록 한다.
• 실제 관측자료인 Cosmicflows-4에 적용하기 전에 시뮬레이션 데이터를 활용해 방법의 검증과 테스트를 수행한다.

제안 방법

• Tully-Fisher 관계 매개변수와 우주론적 특성 속도장 매개변수를 동시에 추정하기 위해 일단계 베이지안 정방향 모델링 접근법을 사용한다.
• 빛나는 부분에서 비선형적이고 곡률이 있는 형태로 Tully-Fisher 관계를 모델링하며, 이는 절곡점과 곡률 진폭으로 매개변수화된다.
• 적색이동에 따라 변화하는 산란 모델을 도입하여 오차가 속도 폭이 감소함에 따라 선형적으로 증가하도록 한다.
• 예측 가능한 관측치(적색이동 및 거리)를 관측 데이터와 비교하는 가능도 함수를 사용하며, 불확실성에 대해 최대화된 평균을 취한다.
• 모의 데이터(진짜 매개변수 복원을 검증하기 위해)와 실제 Cosmicflows-4 데이터에 모두 이 방법을 적용한다.
• 모델 매개변수의 전체 사후 분포를 탐색하기 위해 emcee 패키지를 활용한 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 두 단계 교정 방식에 비해 일단계 베이지안 정방향 모델링 접근법이 성장률 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 Tully-Fisher 관계에 곡률를 도입할 경우 관측된 특성 속도 데이터에 대한 적합도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 모든 매개변수를 동시에 맞추는 방식으로 $\beta$ 및 배치 흐름 매개변수의 불확실성은 어느 정도 감소하는가?
• RQ4 이 방법은 향후 대규모 Tully-Fisher 설문조사인 WALLABY에서 얼마나 잘 작동할 것인가?
• RQ5 Cosmicflows-4와 같은 기존 데이터에 비해 WALLABY에서 기대되는 우주론적 제약력 향상 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 모의 Tully-Fisher 및 특성 속도장의 진짜 매개변수를 성공적으로 복원하여 방법의 강건성을 검증하였다.
• Cosmicflows-4 데이터 분석 결과 성장률 매개변수 $\beta = 0.40 \pm 0.07$를 도출하였으며, 이는 $f\sigma_8 = 0.40 \pm 0.07$와 일치한다.
• 잔여 배치 흐름은 초은하좌표계에서 $\mathbf{V}_{\textrm{ext}} = (69 \pm 15, -158 \pm 9, 14 \pm 7)$ km s$^{-1}$로 측정되었다.
• Tully-Fisher 관계는 곡선 모델로 가장 잘 기술되며, 곡률 절곡점은 $a_2 = 9.06 \pm 0.08$이고 곡률 진폭은 $d = -0.234 \pm 0.004$이다.
• WALLABY에 대한 예측 시뮬레이션 결과, 이 방법을 통해 $\beta$ 및 $\mathbf{V}_{\textrm{ext}}$에 대한 제약력이 Cosmicflows-4 대비 최대 4.5배 향상될 것으로 예측된다.
• Planck CMB 결과와 결합한 결과, 성장 지수 $\gamma$는 $\gamma > 6/11$와 일치하며, 표준 중력 모델이 일부 대안보다 유리함을 시사한다.