[논문 리뷰] Synthetic light cone catalogues of modern redshift and weak lensing surveys with AbacusSummit

Boryana Hadzhiyska, Sihan Yuan외 33명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 19.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 AbacusSummit $N$-body 시뮬레이션을 기반으로 한 공개된 고해상도 합성 빛통(cat) 목록을 제시한다. 이 목록은 $z=0.15$에서 $2.45$까지의 적색편이 범위에서 우주적 시선, 수렴, 편향 지도를 생성하기 위해 보른 근사법을 사용하며, $z\approx1090$에서 CMB 수렴도 포함한다. 이 모의 목록은 DESI, KiDS, DES, HSC 설문과 일치하도록 캘리브레이션되어 있으며, 군집 및 렌즈 통계에 대한 이론적 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 우주론적 추론 파ip라인의 강력한 테스트를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The joint analysis of different cosmological probes, such as galaxy clustering and weak lensing, can potentially yield invaluable insights into the nature of the primordial Universe, dark energy and dark matter. However, the development of high-fidelity theoretical models that cover a wide range of scales and redshifts is a necessary stepping-stone. Here, we present public high-resolution weak lensing maps on the light cone, generated using the $N$-body simulation suite AbacusSummit in the Born approximation, and accompanying weak lensing mock catalogues, tuned via fits to the Early Data Release small-scale clustering measurements of the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Available in this release are maps of the cosmic shear, deflection angle and convergence fields at source redshifts ranging from $z = 0.15$ to 2.45 with $Δz = 0.05$ as well as CMB convergence maps ($z \approx 1090$) for each of the 25 ${ t base}$-resolution simulations ($L_{ m box} = 2000\,h^{-1}{ m Mpc}$, $N_{ m part} = 6912^3$) as well as for the two ${ t huge}$ simulations ($L_{ m box} = 7500\,h^{-1}{ m Mpc}$, $N_{ m part} = 8640^3$) at the fiducial AbacusSummit cosmology ($Planck$ 2018). The pixel resolution of each map is 0.21 arcmin, corresponding to a HEALPiX $N_{ m side}$ of 16384. The sky coverage of the ${ t base}$ simulations is an octant until $z \approx 0.8$ (decreasing to about 1800 deg$^2$ at $z \approx 2.4$), whereas the ${ t huge}$ simulations offer full-sky coverage until $z \approx 2.2$. Mock lensing source catalogues are sampled matching the ensemble properties of the Kilo-Degree Survey, Dark Energy Survey, and Hyper-Suprime Cam weak lensing datasets. The produced mock catalogues are validated against theoretical predictions for various clustering and lensing statistics such as galaxy clustering multipoles, galaxy-shear and shear-shear, showing excellent agreement.

연구 동기 및 목표

• 현대 우주론 설문에 적합한 고정밀도 고해상도 합성 갈락시 군집 및 약한 렌즈 목록 개발.
• 적색편이, 척도, 통계적 행동에서 관측 설문의 특성을 반영한 모의 데이터를 생성함으로써 우주론 분석 파이프라인의 강력한 테스트를 가능하게 하기.
• 결합된 갈락시 및 약한 렌즈 데이터로부터 우주론적 및 천체물리적 파ram터를 제약하기 위한 에뮬레이터 구축의 기초 제공.
• 군집 및 렌즈 상관 함수를 사용하여 모의 목록을 이론적 예측과 검증하기.
• 비선형 효과 및 보른 근사 초월 보정을 포함함으로써 향후 1아크분 이하 척도의 모델링을 지원하기.

제안 방법

• Planck 2018 기준 우주론에서 AbacusSummit $N$-body 시뮬레이션을 사용하여 $L_{\rm box}=2000\,h^{-1}{\rm Mpc}$ 및 $N_{\rm part}=6912^3$이며, 두 개의 '거대한' $7500\,h^{-1}{\rm Mpc}$ 시뮬레이션을 사용하여 빛통 출력 생성.
• 적색편이 $\Delta z=0.05$ 간격으로 $z=0.15$에서 $2.45$까지 보른 근사를 적용하여 우주적 시선, 수렴, 편향 각도 지도 계산. 해상도는 $0.21$ 아크분 픽셀($HEALPix$에서 $N_{\rm side}=16384$).
• KiDS, DES, HSC 설문의 적색편이 분포를 반영하도록 시뮬레이션 출력에서 허브스를 샘플링하여 모의 렌즈 소스 목록 생성.
• LRG 및 ELG 렌즈 집단에 대해 렌즈된 위치와 광도 가중치를 기록하여 확대 효과 보정 구현.
• pyccl을 사용하여 갈락시-시선 및 갈락시-갈락시 렌즈 통계와의 일치성 검증. $C_{\ell}^{\kappa g}$ 및 $\gamma_t(\theta)$ 포함. 적색편이 공간 왜곡이 있는지 없는지에 따라 프로젝션 군집 $w_p(r)$ 비교.
• 관측 설문 프레임워크와 일치하는 시선 캘리브레이션 보정 및 형태 노이즈를 적용하여 관측적 현실성 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AbacusSummit에서 유도된 합성 약한 렌즈 및 갈락시 군집 통계는 기준 $\Lambda$CDM 우주론에서 이론적 예측을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ2 모의 목록은 DESI, KiDS, DES, HSC와 같은 실제 설문의 집단적 특성(적색편이 분포 및 군집 행동)을 어느 정도 잘 반영하는가?
• RQ3 선형 편향 모델은 작은 척도에서 갈락시 군집을 예측하는 데 어떤 한계를 가지며, 이러한 불일치는 어떻게 모의 데이터가 드러내는가?
• RQ4 다양한 적색편이 밴드에서 우주적 시선 및 갈락시-갈락시 렌즈 상관 함수를 얼마나 정확하게 재현하는가?
• RQ5 이 모의 데이터는 우주론적 추론 파이프라인 검증 및 통합 데이터 세트를 통한 향후 파aram터 제약 준비에 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 합성 약한 렌즈 지도 및 모의 목록은 모든 적색편이 밴드에서 갈락시 군집 다중극자, 갈락시-시선, 시선-시선 상관 함수에 대해 이론적 예측과 뛰어난 일치를 보인다.
• 작은 척도($\theta<1$ 아크분)에서 pyccl의 선형 편향 근사는 ELG 군집을 과도하게 예측하고 LRG 군집을 과소평가한다. 이 불일치는 비선형 편향 효과를 반영한 모의 데이터에 의해 포착된다.
• 모의 데이터에서 적색편이 공간 왜곡이 있는지 없는지에 따라 프로젝션 갈락시 군집 $w_p(r)$는 주기적 박스 시뮬레이션 결과와 뛰어난 정확도로 일치한다.
• 모의 데이터의 우주적 시선 상관 함수 및 갈락시-갈락시 렌즈 신호는 기준 우주론적 예측과 일치하여, 파이프라인 테스트에의 사용을 검증한다.
• 기본 시뮬레이션은 하늘의 1/8 영역을 커버한다(적색편이 $z\approx2.4$에서 약 1800 deg²), 반면 거대한 시뮬레이션은 $z\approx2.2$까지 전체 하늘을 커버하여 대규모 통계 연구를 가능하게 한다.
• 모든 데이터 제품(지도 및 목록 포함)은 DOI 등록된 데이터 포인트를 가진 Globus 엔드포인트를 통해 공개되어 있으며, 재현 가능성과 커뮤니티 활용을 지원한다.