[论文解读] Effects of Massive Neutrinos and Dynamical Dark Energy on the Cluster Mass Function

R. Biswas, Katrin Heitmann+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文通过采用非对称处理中微子扰动的N体模拟，研究了大质量中微子与动力学暗能量对团质量函数的影响。结果表明，基于修正线性功率谱（包含中微子贡献）的通用拟合函数能准确描述模拟得到的质量函数，即使在具有非平凡暗能量的宇宙学模型中亦然，但在极端动力学暗能量模型中会出现偏差。

ABSTRACT

The presence of massive neutrinos affects the growth of large-scale structure in the universe, leaving a potentially observable imprint on the abundance and properties of massive dark matter-dominated halos. Cosmological surveys detect large numbers of these halos in the form of rich groups and clusters, using the information as an input to constraining the properties of dark energy. We use a suite of N-body simulations that include the effects of massive neutrinos as well as of dynamical dark energy to study the properties of the mass function. As in our previous work, we follow an approach valid at low neutrino mass, where the neutrino overdensities are assumed to be too small to act as a significant nonlinear source term for gravity. We study how well a universal form for the halo mass function describes our numerical results, finding that the use of an appropriate linear power spectrum within the formalism yields a good match to the simulation results, correctly accounting for the (neutrino mass-dependent) suppression of the mass function.

研究动机与目标

• 理解大质量中微子与动力学暗能量如何共同影响暗物质晕的丰度，特别是团质量函数的背景。
• 评估在包含大质量中微子与时间演化暗能量的宇宙学模型中，通用拟合函数对晕质量函数的有效性。
• 评估简化模拟技术（与冷暗物质相比，对中微子扰动处理较弱）是否能准确预测质量函数。
• 确定当扩展至具有显著中微子质量和演化暗能量的非-$\Lambda$ CDM模型时，通用拟合函数的精度极限。
• 通过量化这些扩展模型下质量函数预测中的系统误差，为未来宇宙学巡天提供指导。

提出的方法

• 开展一系列包含大质量中微子与动力学暗能量的N体模拟，采用非对称处理方式，即在非线性引力响应中忽略中微子聚集。
• 计算包含中微子贡献的线性物质功率谱，使用公式 (11) 中定义的过密度假设 $\delta_{\text{smooth}\nu\text{CDM}}$ 来考虑中微子抑制效应。
• 将通用拟合函数应用于模拟得到的质量函数，参数基于修正的线性功率谱，以反映中微子质量引起的抑制。
• 在不同红移和宇宙学模型（包括 $\nu\Lambda$ CDM 与动力学暗能量 (DDE) 模型）下，将模拟结果与理论拟合函数进行比较。
• 通过量化质量函数中的偏差，评估通用拟合函数的准确性，特别是在非-$\Lambda$ CDM 范畴内。
• 通过确认与其它N体代码及研究组在 $\Lambda$ CDM 情况下的结果一致，验证模拟质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙学模拟中，大质量中微子的引入如何影响团质量函数？
• RQ2 当同时存在大质量中微子与动力学暗能量时，晕质量函数的通用拟合函数在多大程度上仍然有效？
• RQ3 是否可以通过简化模拟方法——将中微子扰动视为线性，而冷暗物质进行非线性演化——在复杂宇宙学模型中准确再现质量函数？
• RQ4 与 $\Lambda$ CDM 的偏离，特别是暗能量状态方程的变化，如何影响质量函数通用拟合函数的准确性？
• RQ5 在存在中微子质量和演化暗能量的情况下，通用拟合函数的精度极限是什么？何时需要改用代理模型（emulation）？

主要发现

• 在 $\Lambda$ CDM 模型中包含大质量中微子（$\sum m_\nu = 0.94$ eV）的模拟结果，与使用不同N体代码的先前模拟结果高度一致，验证了模拟方法的可靠性。
• 采用包含中微子贡献的修正线性功率谱（通过 $\delta_{\text{smooth}\nu\text{CDM}}$ 定义）可得到一个能准确描述中微子质量导致的质量函数抑制的通用拟合函数。
• 对于远离 $\Lambda$ CDM 的动力学暗能量模型，即使在 $z=0$ 时，通用拟合函数与模拟结果的偏差也达到10%量级，表明其普适性被破坏。
• 在当前观测约束范围内的中微子质量（$\lesssim 0.24$ eV）不会显著降低通用拟合函数的准确性，即使与动力学暗能量结合。
• 本研究证实，在极端暗能量模型中，普适性假设会失效，因此在精密宇宙学中必须使用代理模型而非简单拟合函数。
• 该模拟方法（将中微子扰动视为线性，而冷暗物质进行非线性演化）产生与时间推进的微扰理论及完整N体模拟一致的准确结果。