[论文解读] Multipolar moments of weak lensing signal around clusters. Weighing filaments in harmonic space

Gouin, C., R. Gavazzi+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 70被引用 9

一句话总结

本文提出利用星系团周围弱引力透镜收敛场的多极矩作为谐波空间中宇宙网连通性的统计探针。基于N体模拟，研究发现大尺度多极矩功率过剩源于原初宇宙网向星系团势阱的收缩，而小尺度畸变则追踪非线性丝状结构；该信号可通过叠加大质量星系团在欧几勒斯（Euclid）及未来巡天中被探测到，为恒星物理与暗物质模型提供新探针。

ABSTRACT

Context. Upcoming weak lensing surveys such as Euclid will provide an unprecedented opportunity to quantify the geometry and topology of the cosmic web, in particular in the vicinity of lensing clusters. Aims. Understanding the connectivity of the cosmic web with unbiased mass tracers, such as weak lensing, is of prime importance to probe the underlying cosmology, seek dynamical signatures of dark matter, and quantify environmental effects on galaxy formation. Methods. Mock catalogues of galaxy clusters are extracted from the N-body PLUS simulation. For each cluster, the aperture multipolar moments of the convergence are calculated in two annuli (inside and outside the virial radius). By stacking their modulus, a statistical estimator is built to characterise the angular mass distribution around clusters. The moments are compared to predictions from perturbation theory and spherical collapse. Results. The main weakly chromatic excess of multipolar power on large scales is understood as arising from the contraction of the primordial cosmic web driven by the growing potential well of the cluster. Besides this boost, the quadrupole prevails in the cluster (ellipsoidal) core, while at the outskirts, harmonic distortions are spread on small angular modes, and trace the non-linear sharpening of the filamentary structures. Predictions for the signal amplitude as a function of the cluster-centric distance, mass, and redshift are presented. The prospects of measuring this signal are estimated for current and future lensing data sets. Conclusions. The Euclid mission should provide all the necessary information for studying the cosmic evolution of the connectivity of the cosmic web around lensing clusters using multipolar moments and probing unique signatures of, for example, baryons and warm dark matter.

研究动机与目标

• 开发一种利用弱引力透镜多极矩探测星系团周围宇宙网几何与拓扑结构的统计方法。
• 理解星系团周围质量分布中大尺度各向异性的起源，特别是大尺度上多极矩功率过剩的原因。
• 量化谐波畸变如何追踪星系团外缘非线性丝状结构，以及核心区域四极矩主导的机制。
• 估算在当前及未来弱引力透镜巡天中，此类多极信号的可探测性，同时考虑形状噪声与视线方向大尺度结构的影响。
• 探索多极矩在宇宙学物理研究中的潜力，包括恒星反馈与非标准暗物质模型。

提出的方法

• 作者从N体PLUS模拟中提取模拟星系团星表，以模拟真实的星系团环境。
• 对每个星系团，在两个环形区域（位于并超出virial半径）内计算收敛场的孔径多极矩。
• 通过叠加各星系团的多极矩模值，构建角向质量分布的统计估计量。
• 将观测到的多极矩功率谱与二阶微扰理论及球对称坍缩模型的预测进行比较。
• 通过引入星系固有椭率引起的形状噪声以及视线方向大尺度结构贡献，对噪声预算进行建模。
• 通过不同红移、星系团质量与孔径尺度下的信噪比估算，评估信号的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么机制导致大质量星系团周围大角度尺度上多极矩功率过剩？
• RQ2 多极矩如何反映宇宙丝状结构的非线性演化及其与星系团势阱的关联？
• RQ3 收敛场中的谐波畸变在多大程度上追踪了沿丝状结构的物质各向异性吸积？
• RQ4 在欧几勒斯（Euclid）等未来弱引力透镜巡天中，探测多极矩的预期信噪比是多少？
• RQ5 多极矩能否区分标准冷暗物质模型与如温暗物质或恒星反馈效应等替代模型？

主要发现

• 大尺度多极矩功率过剩主要源于原初宇宙网向星系团增长势阱的收缩，与二阶微扰理论预测一致。
• 在virial半径以内，四极矩占主导，表明质量分布呈椭球形，并与星系团主轴方向对齐。
• 在更大半径区域，小尺度多极矩追踪了丝状结构的非线性锐化，其功率谱比大尺度模态更陡峭。
• 多极矩信号的信噪比随星系团质量与红移增加而提高，其中virial半径内形状噪声占主导，而外部区域则以视线方向大尺度结构为主导。
• 在欧几勒斯（Euclid）任务中，星系团核心与外部区域的多极矩（最高至m ≈ 10）可被高精度测量。
• 通过叠加约100个大质量星系团（红移z ≈ 0.6以内），可在宽环形区域（0.1–1 Rvir）中探测到m = 0, 2, 4的谐波成分，从而实现对宇宙学模型的检验。