[논문 리뷰] Neutrino mass constraint with SDSS LRG power spectrum and perturbation theory

Shun Saito, Masahiro Takada외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 24.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 평탄한 CDM 모형에서 중성미자 질량을 제약하기 위해 SDSS LRG 파wer 스펙트럼을 k=0.1 h/Mpc까지 조합하고, 섭동 이론을 적용하여 비선형 클러스터링과 규모에 따라 변하는 편향을 고려한다. 비선형 체계적 오차를 최소화하기 위해 보수적인 스케일 선택을 통해 총 중성미자 질량의 상한을 m_nu,tot < 0.81 eV (95% 신뢰수준)으로 향상시켰으며, 이는 WMAP5만을 사용한 경우보다 1.85배 향상된 결과이다.

ABSTRACT

We compare the model power spectrum, computed based on perturbation theory (PT) with the power spectrum of luminous red galaxies (LRG) measured from the SDSSDR7 catalog, assuming a flat, CDM-dominated cosmology. The model includes the effects of massive neutrinos, nonlinear matter clustering and nonlinear, scale-dependent galaxy bias in a self-consistent manner. We first test the accuracy of PT-model by comparing the model predictions with the halo power spectrum in real- and redshift-space measured from simulations without massive neutrinos. We show that the PT-model with bias parameters being properly adjusted can fairly well reproduce the simulation results. As a result the best-fit parameters obtained from the hypothetical parameter fitting recover, within statistical uncertainties, the input cosmological parameters in simulations, including an upper bound on neutrino mass, if the power spectrum information up to k~0.15h/Mpc is used. However, for the redshift-space power spectrum, the best-fit cosmological parameters show a sizable bias from the input values if using the information up to k~0.2h/Mpc, probably due to nonlinear redshift distortion effect. Given these tests, we decided, as a conservative choice, to use the LRG power spectrum up to k=0.1h/Mpc in order to minimize possible unknown nonlinearity effects. In combination with the recent results from Wilkinson Microwave Background Anisotropy Probe (WMAP), we derive a robust upper-bound on the sum of neutrino masses, given as m_nu,tot < 0.81eV (95% C.L.), marginalized over other parameters including nonlinear bias parameters and dark energy equation of state parameter. The neutrino mass limit is improved by a factor of 1.85 compared to the limit from the WMAP5 alone, m_nu,tot < 1.5eV.

연구 동기 및 목표

• SDSS LRG 카탈로그의 대규모 구조 데이터를 활용하여 중성미자 질량의 합에 대한 견고한 상한을 도출하는 것.
• 질량이 큰 중성미자가 존재하는 조건에서 비선형 물질 클러스터링과 은하 편향을 모델링하는 데 섭동 이론의 정확도를 평가하는 것.
• 비선형 적색편이 공간 왜곡에서 기인하는 체계적 편향을 최소화하기 위해 k-max 스케일로 0.1 h/Mpc를 보수적으로 선택하는 것.
• LRG 파워 스펙트럼 데이터를 WMAP 결과와 조합하여 중성미자 질량과 천체물리 모수에 대한 제약을 강화하는 것.
• 비선형 편향과 암흑 에너지 상태 방정식을 통합하여 중성미자 질량 상한의 견고성을 확보하는 것.

제안 방법

• 질량이 큰 중성미자와 비선형 물질 클러스터링의 영향을 포함한 표준 섭동 이론(PT)을 사용하여 모델 파워 스펙트럼을 구성한다.
• 질량이 큰 중성미자를 포함하지 않은 N-바디 시뮬레이션의 하울로 파워 스펙트럼을 사용하여 모델의 정확도를 실공간 및 적색편이 공간에서 캘리브레이션한다.
• 시뮬레이션 결과와 일치시키기 위해 PT 모델의 편향 매개변수를 조정하여 관측된 은하 클러스터링과의 일致성을 확보한다.
• 캘리브레이션된 PT 모델을 DR7 카탈로그에서 측정된 SDSS LRG 파워 스펙트럼에 적용하며, 비선형 체계적 오차를 줄이기 위해 분석을 k ≤ 0.1 h/Mpc로 제한한다.
• LRG 파워 스펙트럼 데이터를 WMAP 7년치 우주 마이크파면 방사비 이질성 데이터와 조합하여 천체물리 모수를 제약한다.
• 중성미자 질량, 비선형 편향, 암흑 에너지 상태 방정식을 통합하여 신뢰도 높은 상한을 도출하기 위해 최대우도 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적절한 편향 캘리브레이션을 갖춘 섭동 이론이 질량이 큰 중성미자가 존재하는 조건에서 빛나는 빨간 은하의 비선형 클러스터링을 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 파워 스펙트럼의 고주기 모드를 사용할 경우 비선형 적색편이 공간 왜곡이 우주론적 모수 복원에 얼마나 심각하게 편향을 유도하는가?
• RQ3 SDSS LRG 데이터와 WMAP 결과를 조합하여 달성할 수 있는 총 중성미자 질량의 가장 날카운 견고한 상한은 무엇인가?
• RQ4 k-max 스케일의 선택이 중성미자 질량 제약의 정밀도와 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비선형 편향과 암흑 에너지 상태 방정식을 통합하면 중성미자 질량 상한이 상당히 변화하는가?

주요 결과

• 편향 매개변수를 캘리브레이션한 섭동 이론 모델은 실공간 및 적색편이 공간에서 시뮬레이션의 하울로 파워 스펙트럼을 정확히 재현한다.
• k ≤ 0.1 h/Mpc 범위를 사용할 경우, 모델에서 도출된 최적의 우주론적 모수는 시뮬레이션의 입력 값과 통계적 불확도 내에서 일치한다.
• 적색편이 공간 파워 스펙트럼에 대해 k ≤ 0.2 h/Mpc를 사용할 경우, 비모형화된 비선형 적색편이 왜곡으로 인해 회복된 모수가 심각하게 편향된다.
• 보수적인 k = 0.1 h/Mpc 선택은 알려지지 않은 비선형 효과를 최소화하고 우주론적 제약의 견고성을 보장한다.
• SDSS LRG와 WMAP 데이터의 통합 분석을 통해 총 중성미자 질량에 대한 95% 신뢰도 상한이 m_nu,tot < 0.81 eV로 도출되었다.
• 이 상한은 WMAP5만을 사용한 경우의 m_nu,tot < 1.5 eV 제약보다 1.85배 향상된 것으로, 대규모 구조 데이터의 추가적 능력을 입증한다.