[논문 리뷰] Relativistic asymmetries in the galaxy cross-correlation function

Elena Giusarma, Shadab Alam외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중력 레드시프트 효과에 초점을 맞춰 은하 교차상관함수의 상대론적 비대칭성을 조사한다. 일반상대론 섭동이론(GRPT)과 뉴턴 섭동이론을 사용하여, GRPT는 큰 스케일(>50 Mpc/h)에서 상대론적 효과를 예측하지만, 뉴턴 이론은 작은 비선형 스케일(<20 Mpc/h)에서 중력 레드시프트가 지배하는 상황에서 비대칭성을 더 잘 묘사한다. 이는 비선형 잠재력으로 인해 추정기의 부호가 바뀌는 상쇄 효과 때문이지만, 이는 GRPT에서는 이를 반영하지 못한다.

ABSTRACT

We study the asymmetry in the two-point cross-correlation function of two populations of galaxies focusing in particular on the relativistic effects that include the gravitational redshift. We derive the cross-correlation function on small and large scales using two different approaches: General Relativistic and Newtonian perturbation theory. Following recent work by Bonvin et al., Gaztanaga et al. and Croft, we calculate the dipole and the shell estimator with the two procedures and we compare our results. We find that while General Relativistic Perturbation Theory (GRPT) is able to make predictions of relativistic effects on very large, obviously linear scales (r &gt; 50 Mpc/h), the presence of non-linearities physically occurring on much smaller scales (down to those describing galactic potential wells) can strongly affect the asymmetry estimators. These can lead to cancellations of the relativistic terms, and sign changes in the estimators on scales up to r ~ 50 Mpc/h. On the other hand, with an appropriate non-linear gravitational potential, the results obtained using Newtonian theory can successfully describe the asymmetry on smaller, non-linear scales (r &lt; 20 Mpc/h) where gravitational redshift is the dominant term. On larger scales the asymmetry is much smaller in magnitude, and measurement is not within reach of current observations. This is in agreement with the observational results obtained by Gaztnaga et al. and the first detection of relativistic effects (on (r &lt; 20 Mpc/h) scales) by Alam et al.

연구 동기 및 목표

• 두 은하 집단의 두점 교차상관함수에서 상대론적 비대칭성을 조사하기 위해.
• 은하 군집에서 대칭성을 깨뜨리는 중력 레드시프트 및 기타 상대론적 효과의 역할을 평가하기 위해.
• 다른 스케일에서 일반상대론 섭동이론(GRPT)과 뉴턴 섭동이론의 예측를 비교하기 위해.
• 비대칭성 추정기의 스케일 의존성과 비선형 중력 잠재력에 대한 민감도를 규명하기 위해.
• 이론 모델과 N-body 시뮬레이션 간의 껍질 추정기(sign and magnitude)에 대한 모순을 해소하기 위해.

제안 방법

• 작은 스케일과 큰 스케일에서 일반상대론 섭동이론(GRPT)과 뉴턴 섭동이론을 사용하여 교차상관함수를 유도한다.
• 선형 스케일에서는 GRPT를, 비선형 스케일에서는 뉴턴 이론을 사용하여 디폴드 및 껍질 추정기를 계산한다.
• 이론적 계산에서 스케일에 독립적인 편향 모델을 적용하고, 스케일 의존성 편향을 포함한 N-body 시뮬레이션과 결과를 비교한다.
• 빛의 거리 편차를 포함한 전체 상대론적 효과를 모의하기 위해 N-body 시뮬레이션을 활용한 준-뉴턴 방법을 사용한다.
• 작은 스케일에서 은하 잠재력 우물의 영향을 모의하기 위해 뉴턴 이론에 평균 중력 레드시프트에 오프셋을 적용한다.
• 이론적 예측과 N-body 시뮬레이션 결과를 비교하여 껍질 추정기의 수렴성과 부호 일致성(consistency)을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력 레드시프트와 같은 상대론적 효과가 은하 교차상관함수의 비대칭성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 GRPT와 뉴턴 섭동이론은 작은 스케일에서 껍질 추정기에 대해 다른 예측을 내는가?
• RQ3 은하 스케일의 비선형 중력 잠재력이 비대칭성 추정기의 부호와 크기에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 뉴턴 섭동이론은 중력 레드시프트가 지배하는 비선형 스케일에서 상대론적 비대칭성을 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ5 완전한 상대론적 효과를 포함한 N-body 시뮬레이션의 결과와 이론 모델의 예측는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 큰 스케일(>50 Mpc/h)에서는 GRPT가 상대론적 비대칭성을 성공적으로 예측하지만, 작은 스케일에서의 비선형 효과로 인해 껍질 추정기의 상쇄 효과와 기호 변화가 발생할 수 있다.
• 작은 스케일(<20 Mpc/h)에서는 중력 레드시프트 오프셋을 적용한 뉴턴 섭동이론이 N-body 시뮬레이션에서 관측된 껍질 추정기의 기호와 크기를 정확히 재현한다.
• 껍질 추정기는 소규모 중력 잠재력에 매우 민감한데, 이는 GRPT에서는 반영되지 않지만 N-body 시뮬레이션에는 포함되어 있다.
• 큰 스케일에서 뉴턴 이론과 GRPT 간의 불일치는 뉴턴 모델이 빛의 거리 편차를 포함하지 않기 때문에 발생한다. 이는 그 영역에서 지배적인 효과이다.
• 뉴턴 프레임워크에 빛의 거리 편차를 포함하면 GRPT 및 시뮬레이션과의 일치도가 큰 스케일에서 향상되며, 이는 통합적 접근이 필요함을 시사한다.
• 이 연구는 현재 관측이 r < 20 Mpc/h 스케일에서 상대론적 효과를 감지할 수 있음을 확인하였으며, Alam 등(2015)의 첫 번째 검출 결과와 일치한다.