[논문 리뷰] Ringing the universe with cosmic emptiness: void properties through a combined analysis of stacked weak gravitational and Doppler lensing

M. R. Hossen, Sonia Akter Ema외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 152인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론 기반 N체 시뮬레이션(Gevolution)을 사용한 3차원 광선 추적을 통해 약한 중력 렌즈 효과와 도플러 렌즈 효과를 결합하여 천체 빈자리의 성질을 탐사하는 새로운 방법을 제안한다. 결과적으로, 약한 렌즈 효과만을 사용할 때보다 빈자리 밀도 프로파일에 대한 제약 조건이 더 강화되고, 헬로 트레이서 프로파일과의 일치도 향상됨을 보여주며, 향후 저 redshift 천문 관측에 강력한 새로운 도구가 될 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

An essential aspect of cosmic voids is that these underdense regions provide complementary information about the properties of our Universe. Unlike dense regions, voids are avoided by matter and are less contaminated by baryonic processes. The first step to understanding the properties of cosmic voids is to correctly infer their mass profiles. In the literature, various techniques have been implemented. In this paper, we review them and implement a new technique that is based on Doppler lensing. We use a relativistic $N$-body code, extsc{Gevolution}, to generate cosmological mass perturbations and implement a three-dimensional ray-tracing technique, which follows the evolution of a ray-bundles. We focus on the various properties of cosmic voids (e.g. void size function, 2-point correlation function, and the density profile of voids), and compare the results with their universal trends. We show that when weak-lensing is combined with the Doppler lensing we obtain even tighter constraints than weak-lensing alone. We also obtain better agreement between density profiles within central parts of voids inferred from lensing and density profiles inferred from halo tracers. The implication of the result relevant to the ongoing and prospective low-redshift spectroscopic surveys is briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 약한 중력 렌즈 효과와 도플러 렌즈 효과 신호를 융합하여 천체 빈자리 질량 프로파일에 대한 제약 조건을 향상시키는 것.
• 렌즈 효과 신호 융합이 유도된 빈자리 밀도 프로파일 정확도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 우주론적 시뮬레이션에서 렌즈 효과로 유도된 프로파일과 헬로 트레이서로부터 유도된 프로파일 간의 일관성을 평가하는 것.
• 향후 저 redshift 스펙트럼 관측에서 도플러 렌즈 효과를 빈자리에 대한 보조적 탐사 도구로 사용할 수 있는지의 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• Gevolution라는 일반 상대성 이론 기반 N체 코드를 사용하여 천체론적 질량 불안정성을 시뮬레이션한다.
• evolving 밀도장 속을 통과하는 빛 뭉치를 추적하기 위해 3차원 광선 추적을 적용하여 약한 렌즈 수렴, 휨, 그리고 증폭을 계산한다.
• 은하의 특이 속도에서 기인하는 도플러 수렴을 정량화하기 위해 3차원 도플러 렌즈 알고리즘을 개발한다.
• 어둠의 물질 입자 및 헬로 트레이서 필드 양쪽에서 빈자리를 식별하여 서로 다른 트레이서 간의 빈자리 성질을 비교한다.
• 모의 렌즈 데이터에 대해 MCMC 샘플링을 수행하여 모수 제약 조건을 예측한다.
• 렌즈 효과로 도출된 밀도 프로파일을 헬로 트레이서로부터 유도된 프로파일과 비교하여 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 중력 렌즈 효과와 도플러 렌즈 효과의 융합이 약한 렌즈 효과만을 사용할 때보다 천체 빈자리 질량 프로파일에 대한 제약 조건을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 렌즈 효과 신호로부터 추론된 빈자리 밀도 프로파일은 헬로 트레이서로부터 유도된 프로파일과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 트레이서 선택(어둠의 물질 입자 vs. 헬로)이 빈자리 크기 함수와 두 점 상관 함수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저~중간 redshift 영역에서 도플러 렌즈 효과가 렌즈 측정의 제약 능력을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 공동 렌즈 신호가 렌즈 효과로 추론된 프로파일과 헬로 트레이서로부터 유도된 빈자리 밀도 프로파일 간의 일치도를 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• 약한 렌즈 효과의 휨, 증폭, 도플러 렌즈 효과 수렴을 통합 분석하면, 개별 신호보다 더 작은 신뢰 영역을 제공하여 더 강력한 모수 제약 조건을 의미한다.
• 모든 빈자리 반경 그룹에서 약한 렌즈 효과의 탄성 휨이 약한 렌즈 효과의 증폭보다 조밀도 대비 차이를 더 강하게 제약한다.
• 통합된 렌즈 효과 신호는 추론된 밀도 프로파일을 헬로 트레이서로부터 유도된 프로파일과 더 잘 일치시키며, 이로 인해 불일치를 감소시킨다.
• 빈자리 크기 함수와 두 점 상관 함수는 사용된 트레이서 필드에 강하게 의존하며, 어둠의 물질 및 헬로 필드 모두에서 헬로-빈자리 및 빈자리-빈자리 상관 관계가 유사하게 나타난다.
• 중간~저 redshift 영역에서 도플러 렌즈 효과 신호가 중력 렌즈 효과를 초월하여 빈자리의 구조에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 결과적으로 도플러 렌즈 효과가 향후 저 redshift 관측(예: DESI 및 4MOST)에서 우주 빈자리의 물질 분포를 맵핑하는 데 보조적 탐사 도구로서 유효하다는 것이 검증되었다.