[논문 리뷰] Mock catalogues of emission line galaxies based on the local mass density in dark-matter only simulations

Ken Osato, Takahiro Nishimichi외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 28.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 60인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 암흑물질만을 고려한 N-체 시뮬레이션에 발광선은하(ELGs)를 빠르고 밀도 기반의 방법으로 보간하는 방법을 제시한다. 입자들의 局소 질량 밀도 임계값을 사용하여, 효율적인 가짜 ELG 카탈로그 생성이 가능하다. 이 방법은 대규모 구조의 비율, 환경 분포, 축소된 Finger-of-God 효과 등 주요 군집 성질을 수반하며, 유체역학적 시뮬레이션과 일치하는 결과를 보이며, 향후 분광학적 설문조사에서 공분산 행렬 추정 및 시스템적 오차 분석에 이상적인 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The high-precision measurement of spatial clustering of emission line galaxies (ELGs) is a primary objective for upcoming cosmological spectroscopic surveys. The source of strong emission of ELGs is nebular emission from surrounding ionized gas irradiated by massive short-lived stars in star-forming galaxies. As a result, ELGs are more likely to reside in newly-formed halos and this leads to a nonlinear relation between ELG number density and matter density fields. In order to estimate the covariance matrix of cosmological observables, it is essential to produce many independent realisations to simulate ELG distributions for large survey volumes. To this end, we present a novel and fast scheme to populate ELGs in dark-matter only $N$-body simulations based on local density field. This method enables fast production of mock ELG catalogues suitable for verifying analysis methods and quantifying observational systematics in upcoming spectroscopic surveys and can populate ELGs in moderately high-density regions even though the halo structure cannot be resolved due to low resolution. The power spectrum of simulated ELGs is consistent with results of hydrodynamical simulations up to fairly small scales ($\lesssim 1 h \, \mathrm{Mpc}^{-1}$), and the simulated ELGs are more likely to be found in filamentary structures, which is consistent with results of semi-analytic and hydrodynamical simulations. Furthermore, we address the redshift-space power spectrum of simulated ELGs. The measured multipole moments of simulated ELGs clearly exhibit a weaker Finger-of-God effect than those of matter due to infalling motions towards halo centre, rather than random virial motions inside halos.

연구 동기 및 목표

• 대규모, 어두운 물질만을 고려한 시뮬레이션에서 계산적으로 효율적인 가짜 ELG 카탈로그 생성 방법을 개발하기 위해.
• 비용이 많이 드는 유체역학적 시뮬레이션에 의존하지 않고도 천체역학적 설문조사에서 ELG 군집 성질을 시뮬레이션하는 데 도전하기 위해.
• 향후 분광학적 설문조사에서 정확한 공분산 행렬 추정을 위해 많은 독립적인 실현치를 생성하기 위해.
• 가짜 카탈로그가 환경 의존성과 적색편이 공간 왜곡을 포함한 실제 ELG 군집 성질을 잘 재현하도록 보장하기 위해.
• 헤일로 탐지 알고리즘이나 고해상도 헤일로 데이터가 필요 없이 ELG 설문조사의 시스템적 오차 테스트 및 파이프라인 校정을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 입자들의 국소 질량 밀도를 스무딩 입자 유체역학(SPH) 커널을 사용해 추정하고, 그 기반으로 어두운 물질 입자 위에 ELGs를 직접 보간한다.
• 최소 및 최대 두 개의 밀도 임계값을 적용한다: 최소 임계값은 낮은 밀도 영역을 제거하고, 최대 임계값은 대규모 헤일로의 중심 영역을 피한다.
• 헤일로 탐지 기반의 방법을 피하기 위해 입자 수준에서 직접 작동하므로, 헤일로 카탈로그에 의존하지 않으며 다양한 시뮬레이션 유형에 더 강건하다.
• 밀도 임계값은 관측된 ELG 비율과 환경 분포를 일치시키기 위해 조정되어, 유체역학적 시뮬레이션과의 일관성을 확보한다.
• 적색편이 공간 왜곡, 특히 Finger-of-God 효과를 평가하기 위해 적색편이 공간 스펙트럼과 다중극 모멘트를 측정한다.
• 다양한 환경에서 속도-밀도 관계를 탐색하기 위해 실제 공간 물질 밀도와 적색편이 공간 ELG 수밀도 간의 교차 스펙트럼을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유체역학을 사용하지 않고도, 빠르고 입자 기반의 방법이 대규모 구조 설문조사에서 ELG 군집 성질을 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ2 국소 밀도 임계값 방법이 유체역학적 시뮬레이션에서 관측된 ELG의 환경 분포(노드, 필라멘트, 시트, 빈곤)를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ3 ELG 가짜 샘플이 물질이나 LRG보다 감소된 Finger-of-God 효과를 보이는 정도는 어느 정도이며, 이는 외부 헤일로 영역에 위치한 ELG의 특성과 일치하는가?
• RQ4 적색편이 공간에서 물질 밀도와 ELG 수밀도 간의 교차 스펙트럼을 이용해 성장률을 비편향의 위험 없이 추출할 수 있는가?
• RQ5 ELG의 적색편이 공간 스펙트럼 다중극 모멘트가 우주 환경(예: 필라멘트 대 빈곤)에 따라 어떻게 다름을 보이며, 이는 그들의 역학적 상태에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 가짜 ELG 카탈로그는 유체역학적 시뮬레이션에서 관측된 환경 분포를 재현한다: 노드에 약 20%의 ELG가 존재하며, 대부분은 필라멘트와 시트에 분포하고, 빈곤에는 매우 적은 수가 있다.
• 밀도 임계값이 적절히 조정된 경우, 가짜 ELG의 대규모 구조 비율은 실제 ELG의 기대치와 일치한다.
• 가짜 ELG의 스펙트럼은 ≲1 h Mpc⁻¹까지 유체역학적 시뮬레이션과 일치하며, 이는 소규모 군집 성질의 정확도가 높음을 시사한다.
• 적색편이 공간 스펙트럼은 물질보다 약한 Finger-of-God 효과를 보이며, 이는 ELG가 낮은 무작위 속도를 가진 외부 헤일로 영역에 위치해 있음을 반영한다.
• 적색편이 공간에서 물질 밀도와 ELG 수밀도 간의 교차 스펙트럼의 2차 모멘트는 적색편이 왜곡의 명확하고 스케일에 따라 변화하는 신호를 보이며, 이 신호의 강도는 성장률에 비례하고 선형 편향과 독립적이다.
• 환경에 따라 달라지는 적색편이 공간 왜곡 패턴은 필라멘트와 시트에 있는 ELG가 수축 중임을 시사하며, 선형 이론 예측과는 다르게 비선형 역학적 거동을 보이고 있다.