[논문 리뷰] Weighing cosmic structures with clusters of galaxies and the intergalactic medium

Matteo Esposito, Vid Iršič외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 54인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 남극대성계의 SPT에서의 수성-젤드비히 효과에 기반한 은하단 수세기와 VLT/Keck에서의 고적색도 라이만-알파 산물 스펙트럼을 결합하여 우주론적 제약 조건을 시험한다. 결과적으로 저적색도 은하단 데이터(σ₈ = 0.74⁺⁰.⁰³₋₀.₀⁴)와 고적색도 라이만-알파 데이터(σ₈ = 0.91⁺⁰.⁰³₋₀.₀³) 사이에 3.3σ의 불일치를 발견하였으며, 이는 IGM 모델링과 고려되지 않은 DLA/LLS 시스템을 고려한 후에도 여전히 지속된다. 이는 잠재적인 시스템적 편향 또는 ΛCDM 이론에 대한 도전을 시사한다.

ABSTRACT

We present an analysis aimed at combining cosmological constraints from number counts of galaxy clusters identified through the Sunyaev-Zeldovich effect, obtained with the South Pole Telescope (SPT), and from Lyman α spectra obtained with the MIKE/HIRES and X-shooter spectrographs. The SPT cluster analysis relies on mass calibration based on weak lensing measurements, while the Lyman α analysis is built over mock spectra extracted from hydrodynamical simulations. The resulting constraints exhibit a tension (∼3.3σ) between the low σ8 values preferred by the low-redshift cluster data, σ8=0.74+0.03-0.04, and the higher one preferred by the high-redshift Lyman α data, σ8=0.91+0.03-0.03. We present a detailed analysis to understand the origin of this tension and to establish whether it arises from systematic uncertainties related to the assumptions underlying the analyses of cluster counts and/or Lyman α forest. We found this tension to be robust with respect to the choice of modelling of the IGM, even when including possible systematics from unaccounted sub-Damped Lyman α (DLA) and Lyman-limit systems (LLS) in the Lyman α data. We conclude that to solve this tension would require a large bias on the cluster mass estimate, or large unaccounted errors on the Lyman α mean fluxes. Our results have important implications for future analyses based on cluster number counts from future large photometric surveys (e.g. Euclid and LSST) and on larger samples of high-redshift quasar spectra (e.g. DESI and WEAVE surveys). If confirmed at the much higher statistical significance reachable by such surveys, this tension could represent a significant challenge for the standard ΛCDM paradigm.

연구 동기 및 목표

• 은하단 수세기와 라이만-알파 산물 스펙트럼의 파wer 스펙트럼에서 유도된 우주론적 제약 조건의 일관성을 시험하는 것.
• 저적색도 은하단 데이터와 고적색도 라이만-알파 데이터 사이의 σ₈ 불일치가 체계적 오차에서 기인하는지 평가하는 것.
• 이 불일치가 ΛCDM 우주론 모델의 결함 또는 질량 캘리브레이션 또는 IGM 모델링에서 모델링되지 않은 체계적 오차에서 기인하는지 평가하는 것.

제안 방법

• SPT 은하단 수세기(수성-젤드비히 효과 기반)와 MIKE/HIRES, X-shooter에서 확보한 고해상도 라이만-알파 산물 스펙트럼을 결합한다.
• SPT 은하단에 대해 약한 렌즈 기반 질량 캘리브레이션을 적용하고, 유체역학적 시뮬레이션을 사용해 가짜 라이만-알파 스펙트럼을 생성한다.
• 양측 데이터를 동시에 사용하여 우주론적 파rameter, 특히 σ₈에 대해 공동 베이지안 추론을 수행한다.
• IGM 열역학 역사 모델의 변화와 고려되지 않은 DLA 및 LLS 흡수 시스템 포함 여부를 통해 결과의 탄력성 검증을 수행한다.
• 한 쪽 데이터셋의 사전 확률을 다른 쪽에 적용하여 상호 일관성을 평가하고 잠재적 편향을 식별한다.
• 결과를 Planck CMB, eBOSS 및 기타 대규모 구조 탐사 결과와 비교하여 긴장의 맥락을 파악한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPT 은하단 수세기와 고적색도 라이만-알파 산물 스펙트럼 간의 관측된 3.3σ의 σ₈ 불일치가 IGM 모델링의 체계적 오차에 대해 탄력적인가?
• RQ2 고려되지 않은 DLA 또는 LLS 흡수 시스템이 라이만-알파 데이터에서의 불일치를 해결할 수 있는가?
• RQ3 이 불일치는 SPT 은하단의 약한 렌즈 질량 캘리브레이션 오차 또는 라이만-알파 스펙트럼의 연속체 피팅 오차에서 기인하는가?
• RQ4 공동 제약 조건은 Planck CMB 및 기타 대규모 구조 탐사 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 긴장은 ΛCDM 철학에서의 근본적인 이탈을 시사하는가, 아니면 모델링되지 않은 체계적 오차 때문인가?

주요 결과

• SPT 은하단 데이터(σ₈ = 0.74⁺⁰.⁰³₋₀.₀⁴)와 라이만-알파 산물 스펙트럼 데이터(σ₈ = 0.91⁺⁰.⁰³₋₀.₀³) 사이에 3.3σ의 불일치가 발견되었으며, 후자는 더 높은 σ₈를 지지한다.
• 고려되지 않은 DLA 및 LLS 시스템을 라이만-알파 분석에 포함시켜도 이 불일치는 여전히 유지되며, 약 2.8σ로 감소할 뿐이다.
• SPT 데이터는 라이만-알파 결과와 일치시키기 위해 수성-젤드비히 질량-관측 관계의 진폭을 3.4σ 감소시켜야 하며, 이는 약한 렌즈 질량 추정치에 약 50%의 편향이 있음을 시사한다.
• 라이만-알파 분석에 SPT 제약 조건을 사전 확률로 적용하면 평균 투과도가 독립적 측정치와 불일치하는 값으로 수렴하며, 이는 연속체 피팅 오차가 주요 원인이 아님을 배제한다.
• 질량 함수의 프레스클러브 차이(질량이 큰 중성자 포함)로는 이 불일치가 해결되지 않아, 이는 데이터 조합 자체에 내재된 불일치임을 시사한다.
• 결과는 한 쪽 또는 양쪽 탐사에서 큰 고려되지 않은 체계적 오차가 존재하거나, 이 불일치가 ΛCDM 철학의 이탈을 시사할 수 있음을 시사하며, 특히 KiDS-1000과 DES-Y3 등 다른 저-σ₈ 탐사 결과와의 일관성 때문에 더욱 그렇다.