[논문 리뷰] Weighing the Neutrinos with the Galaxy Shape-Shape Correlations

Jounghun Lee, Suho Ryu|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 25.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 은하 형상-형상 상관관계를 상관함수 $\eta(r)$로 정량화함으로써 총 중성미자 질량 $M_\nu$의 새로운 탐사 수단으로서의 가능성을 제안한다. MassiveNuS 프로젝트에서 확보한 고해상도 $N$-body 시뮬레이션을 활용하여, $r \leq 5\,h^{-1}\text{Mpc}$ 범위에서 $\eta(r)$ 가 $M_\nu = 0.0\,\text{eV}$ 와 $M_\nu = 0.1\,\text{eV}$ 사이의 차이를 구분할 수 있을 정도로 민감하며, $\sigma_8$ 의 변화에는 민감하지 않다는 점을 보여, $\sigma_8$--$M_\nu$ 디게너러시를 깰 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The galaxies form and evolve in the early epochs through the anisotropic merging process along the primary narrow filaments, in the direction of which their shapes become elongated and intrinsically aligned. The nonlinear evolution of the cosmic web broadens the primary filaments, by entangling them with multiple secondary filaments, which has an effect of reducing the anisotropy of the merging process and in consequence weakens the galaxy shape-shape correlations in the later epochs. Assuming that the degree of the nonlinearity and complexity of the cosmic web depends on the nature of dark matter, we propose a hypothesis that the galaxy shape-shape correlation function, $η(r)$, may be a powerful complimentary probe of the total neutrino mass, $M_ν$. Testing this hypothesis against a high resolution N-body simulation, we show that the $M_ν$-dependence of $η(r)$ at $z=0$ is sensitive enough to distinguish between $M_ν=0.0$ eV and $M_ν=0.1$ eV. We also show that the differences in $η(r)$ at $r\le 5\,h^{-1}$Mpc between the models with massless and massive neutrinos cannot be explained by their differences in the small-scale density powers, $σ_{8}$, which implies that the galaxy shape-shape correlation function has a potential to break the notorious cosmic degeneracy between $M_ν$ and $σ_{8}$.

연구 동기 및 목표

• 은하 형상-형상 상관관계가 총 중성미자 질량 $M_\nu$ 의 보조적 탐사 수단이 될 수 있는지 조사하기 위해.
• 비선형 우주망의 진화가 질량을 가진 중성미자에 의해 영향을 받으며, 이로 인해 형상 상관관계의 강도가 조절된다는 가설을 검증하기 위해.
• $\eta(r)$ 가 $M_\nu = 0.0\,\text{eV}$ 와 $M_\nu = 0.1\,\text{eV}$ 사이를 구분할 수 있는지, $\sigma_8$ 와의 디게너러시가 존재하더라도 확인하기 위해.
• $\eta(r)$ 가 다양한 헬로 성질 제어 및 투영 효과 하에서 얼마나 견고한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 은하 형상-형상 상관함수 $\eta(r)$ 는 $\eta(r) \equiv \langle |\hat{\mathbf{e}}(\mathbf{x}) \cdot \hat{\mathbf{e}}(\mathbf{x}+\mathbf{r})|^2 \rangle - \frac{1}{3}$ 로 정의되며, 여기서 $\hat{\mathbf{e}}$ 는 헬로의 관성 텐서의 주요 주축을 의미한다.
• MassiveNuS 프로젝트에서 확보한 고해상도 $N$-body 시뮬레이션을 사용하였으며, $\nu\Lambda\text{CDM}$ 모델에서 $M_\nu = 0.0$, $0.1$, 및 $0.6\,\text{eV}$ 를 고려하였으며, $M_\nu$ 를 제외한 모든 우주론적 파rameter 는 동일하였다.
• Rockstar 알고리즘을 사용하여 어두운 물질 헬로를 식별하였으며, 분辨도 확보를 위해 $M_h \geq 10^{12}\,h^{-1}M_\odot$ 이고, 최소 100개의 입자를 가진 헬로를 선택하였다.
• 상관함수 $\eta(r)$ 는 헬로 쌍을 거리 $r$ 에 따라 분할하고, 그들의 형상 벡터의 제곱 내적을 계산한 후 $1/3$ 을 빼어 계산하였다.
• 통계적 유의성은 $r \approx 1\,h^{-1}\text{Mpc}$ 에서 투영된 2차원 형상의 $|\hat{\mathbf{e}}_{2d}(\mathbf{x}) \cdot \hat{\mathbf{e}}_{2d}(\mathbf{x}+\mathbf{r})|$ 의 누적분포에 대해 코모고로프-스미르노프(Kolmogorov-Smirnov, KS) 검정을 통해 평가하였다.
• 다양한 샘플 간 비교를 통해 헬로 질량($M_h$), 축비($S$), 그리고 농도($c_p$) 를 제어함으로써 탄력성을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 형상-형상 상관함수 $\eta(r)$ 는 총 중성미자 질량 $M_\nu$ 의 차이를 감지할 수 있는가?
• RQ2 $\eta(r)$ 의 $M_\nu$ 의존성은 $\sigma_8$ 과 기타 우주론적 파rameter 의 변화에 대해 견고한가?
• RQ3 관측 투영 효과를 고려할 때, 투영된 2차원 형상 상관관계는 여전히 통계적으로 유의미한가?
• RQ4 $\eta(r)$ 는 표준 우주론적 탐사에서 애매해지는 $\sigma_8$ 과 $M_\nu$ 의 디게너러시를 깰 수 있는가?

주요 결과

• $r \leq 5\,h^{-1}\text{Mpc}$ 범위에서 $\eta(r)$ 는 $M_\nu = 0.0\,\text{eV}$ 와 $M_\nu = 0.1\,\text{eV}$ 모델 간 통계적으로 유의미한 차이를 보이며, KS 검정의 p-값이 $0.1\%$ 미만이다.
• $M_\nu = 0.0\,\text{eV}$ 와 $M_\nu = 0.1\,\text{eV}$ 간 $\eta(r)$ 의 차이는 $\sigma_8$ 의 차이로는 설명될 수 없으며, 이는 $\eta(r)$ 가 $\sigma_8$ 를 초월해 $M_\nu$ 에 민감하다는 것을 의미한다.
• 2차원 평면에 투영된 후에도 $M_\nu = 0.0\,\text{eV}$ 와 $M_\nu = 0.1\,\text{eV}$ 간 형상 상관관계는 여전히 유의미하게 다르며, KS 통계량은 $99.9\%$ 이상의 신뢰수준에서 귀무가설을 기각한다.
• 헬로 질량, 축비, 농도를 제어한 후에도 $\eta(r)$ 의 $M_\nu$ 의존성이 견고함을 확인하여, 선택 효과에 의해 유도된 것이 아님을 시사한다.
• $r \sim 3\,h^{-1}\text{Mpc}$ 에서의 신호는 투영 효과로 약화되므로, 실제 관측에서 이 신호를 감지하기 위해서는 더 큰 은하 샘플이 필요하다는 점을 시사한다.
• 이 연구는 관측 적용을 위해 수치 유체역학 시뮬레이션을 통해 복사 및 비일치 효과를 모델링하고 형상의 비일치를 고려할 필요가 있음을 밝혔다.