[논문 리뷰] Redshift-space distortions of galaxies, clusters and AGN: testing how the accuracy of growth rate measurements depends on scales and sample selections

F. Marulli, A. Veropalumbo외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 89인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 은하, 은하단 및 AGN에서 적색편이 공간 왜곡(RSD)을 사용한 성장률 측정의 정확도에 샘플 선택 및 스케일 범위가 미치는 영향을 조사한다. 마그네틱럼 유체역학 시뮬레이션을 사용하여 비선형 효과를 적절히 모델링할 경우, 분석에 사용할 스케일 범위를 신중히 선택함으로써 fσ₈의 체계적 오차를 최소화할 수 있으며, 이는 거의 편향이 없는 제약 조건을 도출할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Redshift-space clustering anisotropies caused by cosmic peculiar velocities provide a powerful probe to test the gravity theory on large scales. However, to extract unbiased physical constraints, the clustering pattern has to be modelled accurately, taking into account the effects of non-linear dynamics at small scales, and properly describing the link between the selected cosmic tracers and the underlying dark matter field. We use a large hydrodynamic simulation to investigate how the systematic error on the linear growth rate, $f$, caused by model uncertainties, depends on sample selections and comoving scales. Specifically, we measure the redshift-space two-point correlation function of mock samples of galaxies, galaxy clusters and Active Galactic Nuclei, extracted from the Magneticum simulation, in the redshift range 0.2 < z < 2, and adopting different sample selections. We estimate $fσ_8$ by modelling both the monopole and the full two-dimensional anisotropic clustering, using the dispersion model. We find that the systematic error on $fσ_8$ depends significantly on the range of scales considered for the fit. If the latter is kept fixed, the error depends on both redshift and sample selection, due to the scale-dependent impact of non-linearities, if not properly modelled. On the other hand, we show that it is possible to get unbiased constraints on $fσ_8$ provided that the analysis is restricted to a proper range of scales, that depends non trivially on the properties of the sample. This can have a strong impact on multiple tracers analyses, and when combining catalogues selected at different redshifts.

연구 동기 및 목표

• 적색편이 공간 클러스터링 분석에서 공액 스케일과 샘플 선택의 선택에 따라 선형 성장률 fσ₈의 체계적 오차가 어떻게 달라지는지 평가하기 위해.
• 모의 은하, 은하단 및 AGN 샘플에서 비대칭 클러스터링 이성도를 모델링할 때 비선형 역학이 RSD 측정에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 트레이서 유형에 관계없이 분석을 잘 선택된 스케일 범위에 국한함으로써 fσ₈에 대한 편향 없는 제약 조건을 달성할 수 있는지 확인하기 위해.
• 스케일 및 샘플에 따라 달라지는 RSD 모델링의 편향을 정량화하여 다트레이서 분석 및 다중 적색편이 카탈로그 조합에 대한 지침을 제공하기 위해.
• 비선형 효과와 트레이서 특유의 편향을 고려한 최적의 모델링 전략을 규명하여 우주론에서 중력 검증의 신뢰성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 0.2 ≤ z ≤ 2 범위에서 마그네틱럼 유체역학 시뮬레이션을 사용하여 은하, 은하단 및 AGN의 모의 샘플에 대해 적색편이 공간 이중상관함수(2PCF)를 시뮬레이션한다.
• 은하의 항성 질량, 은하단의 헬로 질량, AGN의 광도 또는 에딩턴 비율에 기반한 다양한 샘플 선택 전략을 적용하여 선택에 따른 체계적 오차를 탐색한다.
• 산란 모델을 적용하여 이방성 클러스터링을 모델링하고, 단일 모멘트와 전체 2차원 RSD 패턴을 동시에 피팅하여 fσ₈를 추출한다.
• 피팅에 사용하는 스케일 범위(10에서 100 h⁻¹ Mpc)를 변화시켜 스케일 의존성이 fσ₈의 체계적 오차에 어떤 영향을 미치는지 정량화한다.
• 모의 시뮬레이션에서의 진짜 값과 비교하여 다양한 트레이서와 적색편이에서 복구된 fσ₈ 값을 평가하여 편향과 불확도를 분석한다.
• 트레이서 특성(질량 및 광도 등)에 따라 최적의 스케일 범위가 어떻게 달라지는지 비선형적인 의존성을 분석하여 안정적인 피팅 윈도우를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색편이 공간 클러스터링 분석에서 fσ₈ 측정의 체계적 오차는 스케일 범위의 선택에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 질량, 광도 또는 에딩턴 비율에 기반한 샘플 선택은 RSD에서 fσ₈ 추정치의 정확도에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 특정 범위의 스케일에 국한하여 분석을 제한함으로써 fσ₈에 대한 편향 없는 제약 조건을 달성할 수 있으며, 이 최적의 범위는 트레이서 유형에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 비선형 역학은 RSD 모델링에 어떤 영향을 미치며, 이러한 효과를 적절히 모델링하는 것이 체계적 오차 감소에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 스케일 및 샘플에 따라 달라지는 편향은 다트레이서 분석 및 다중 적색편이 카탈로그 조합에 있어 우주론적 설문 조사에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• fσ₈의 체계적 오차는 피팅에 사용된 스케일의 범위에 따라 크게 달라지며, 비선형 스케일을 적절히 모델링하지 않은 채 포함할 경우 오차가 커진다.
• 비선형 효과의 스케일 의존성으로 인해 fσ₈의 체계적 오차는 적색편이와 샘플 선택에 따라 크게 달라지며, 특히 저질량 또는 저광도 트레이서에서 두드러진다.
• 일반적으로 대부분의 트레이서에서 15–40 h⁻¹ Mpc 범위로 분석을 제한함으로써 fσ₈의 체계적 오차를 거의 0으로 줄일 수 있으며, 이는 편향 없는 제약 조건을 도출할 수 있음을 의미한다.
• 최적의 스케일 범위는 질량 및 광도와 같은 트레이서 특성에 따라 비선형적으로 의존하며, 더 무거운 또는 더 밝은 트레이서의 경우 더 넓거나 이동된 피팅 윈도우가 필요하다.
• 다트레이서 분석 및 다중 적색편이 비교에서, 본 연구는 샘플 간 일관된 스케일 선택이 체계적 편향을 유도하지 않도록 하기 위해 필수적임을 보여준다.
• 결과적으로, 산란 모델이 잘 선택된 스케일 범위에 적용될 경우, 복잡한 비선형 역학이 존재하더라도 fσ₈ 측정이 매우 정확해질 수 있음을 입증한다.