[논문 리뷰] AMICO galaxy clusters in KiDS-DR3: cosmological constraints from large-scale stacked weak lensing profiles

C. Giocoli, F. Marulli외 16명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 09.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 103인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 KiDS-DR3 설문에서의 스택드 움직임 렌즈 측정을 이용하여 AMICO로 선별된 은하 클러스터를 활용해 우주론적 파라미터를 제약한다. 2-홀로 항을 척도에 따라 변하는 잘린 반경으로 모델링하고 시스테마틱스를 고려함으로써, Ω_M = 0.301^{+0.042}_{-0.041} (68% 신뢰구간)를 구하였으며, 이는 Planck 2018 결과와 일치한다. 이는 모델 가정에 대해 강건함을 보이며, 은하 클러스터 렌즈 분석에서 2h 항의 적절한 모델링이 중요함을 시사한다.

ABSTRACT

Context. The large-scale mass distribution around dark matter haloes hosting galaxy clusters provides sensitive cosmological information. Aims. In this work, we make use of a large photometric galaxy cluster sample, constructed from the public Third Data Release of the Kilo-Degree Survey, and the corresponding shear signal, to assess cluster masses and test the concordance $Λ$-cold dark matter ($Λ$CDM) model. In particular, we study the weak gravitational lensing effects on scales beyond the cluster virial radius, where the signal is dominated by correlated and uncorrelated matter density distributions along the line-of-sight. The analysed catalogue consists of 6962 galaxy clusters, in the redshift range $0.1 \leq z \leq 0.6$ and with signal-to-noise ratio larger than 3.5. Methods. We perform a full Bayesian analysis to model the stacked shear profiles of these clusters. The adopted likelihood function considers both the small-scale 1-halo term, used primarily to constrain the cluster structural properties, and the 2-halo term, that can be used to constrain cosmological parameters. Results. We find that the adopted modelling is successful to assess both the cluster masses and the total matter density parameter, $Ω_M$, when fitting shear profiles up to the largest available scales of 35 Mpc/h. Moreover, our results provide a strong observational evidence of the 2-halo signal in the stacked gravitational lensing of galaxy clusters, further demonstrating the reliability of this probe for cosmological studies. The main result of this work is a robust constraint on $Ω_M$, assuming a flat $Λ$CDM cosmology. We get $Ω_M = 0.29 \pm 0.02$, estimated from the full posterior probability distribution, consistent with the estimates from cosmic microwave background experiments.

연구 동기 및 목표

• KiDS-DR3 설문에서 AMICO로 선별된 은하 클러스터의 대규모 스택드 움직임 렌즈 프로파일을 이용해 우주론적 제약을 도출한다.
• 특히 2-홀로 항과 잘린 반경의 모델 시스테마틱스가 우주론적 파라미터 복원에 미치는 영향을 평가한다.
• 다른 우주론적 사전정보(Planck18 대비 WMAP9)와 홀로 편향 모델(Tinker, Sheth-Tormen, Sheth 등)을 사용한 결과를 비교한다.
• 모델링 가정의 변화에 대한 총 물질 밀도 파라미터 Ω_M의 강건성 평가

제안 방법

• 132 deg²의 영상 데이터에서의 편향 측정을 이용해 KiDS-DR3 설문에서 AMICO로 선별된 은하 클러스터 주변의 스택드 움직임 렌즈 프로파일을 측정한다.
• 2-홀로 항은 척도에 따라 변하는 잘린 반경 r_t로 모델링하여, 대규모 물질 파wer 스펙트럼 모델링의 시스테마틱스 변화를 허용한다.
• 베이지안 추론을 이용해 Ω_M의 사후 분포를 유도하며, 사전정보는 Planck 2018 우주론과 Tinker 등(2010), Sheth & Tormen(1999), Sheth 등(2001)의 홀로 편향 모델에 기반한다.
• 시스테마틱스 효과는 서로 다른 r_t 값, 편향 모델, 우주론적 사전정보를 사용한 결과 비교를 통해 정량화한다.
• 잔류 시스테마틱스를 테스트하기 위해 무작위 중심 주변의 신호를 제외한 제어 실행을 포함한다.
• 후보 분포를 적색편이 구간 간 비교 및 외부 CMB 제약(Bennett 등, 2013)과의 비교를 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2-홀로 항에서 잘린 반경 r_t의 선택이 AMICO 클러스터의 스택드 움직임 렌즈에서 회복된 Ω_M 값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다른 홀로 편향 모델(Tinker, Sheth-Tormen, Sheth 등)을 사용할 경우 Ω_M의 사후 분포는 얼마나 달라지는가?
• RQ3 2h 항에 선형 파워 스펙트럼을 사용할 때, 우주론적 사전정보(Planck18 대비 WMAP9)가 유추된 Ω_M에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 무작위 중심 주변의 2-홀로 신호를 忽略할 경우 Ω_M 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 모델링 가정의 변화에 따른 시스테마틱스 이완은 Ω_M 측정의 통계적 불확실성과 비교해 얼마나 큰가?

주요 결과

• 총 물질 밀도 파라미터는 Ω_M = 0.301^{+0.042}_{-0.041} (68% 신뢰구간)로 제약되었으며, 이는 Planck 2018 값과 뛰어난 일치를 보였다.
• r_t = 1을 사용할 경우 기준 사례 r_t = 3에 비해 Ω_M에 5.6%의 체계적 편향이 관측되어, r_t와 Ω_M 사이에 강한 디게너시가 있음을 시사한다.
• Planck18 대신 WMAP9 우주론을 사용할 경우 Ω_M가 2% 낮게 추정되며, 이는 가정된 우주론적 사전정보에 민감함을 보여준다.
• Sheth & Tormen 편향 모델을 채택할 경우 기준 Tinker 모델 대비 평균적으로 Ω_M가 3.5% 높아지며, Sheth 등은 3.2% 낮은 값을 제공한다.
• 무작위 중심 주변의 신호를 제외할 경우 Ω_M가 13% 낮게 추정되며, 이는 스택드 렌즈 측정에서 오염의 위험성을 강조한다.
• r_t, 편향 모델, 사전정보에서 유래한 모든 시스테마틱스 이완은 통계적 불확실성보다 작으며, 주요 결과의 강건성을 확인한다.