[论文解读] Ringing the universe with cosmic emptiness: void properties through a combined analysis of stacked weak gravitational and Doppler lensing

M. R. Hossen, Sonia Akter Ema+2 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 152被引用 4

一句话总结

本文提出一种新方法，通过在广义相对论N体模拟（Gevolution）中结合弱引力透镜和多普勒透镜效应，利用三维光线追踪探测宇宙空洞。结果表明，联合透镜信号可对空洞密度剖面施加更紧的约束，且与晕踪迹剖面的吻合度优于仅使用弱透镜的情况，为低红移宇宙学巡天提供了强大新工具。

ABSTRACT

An essential aspect of cosmic voids is that these underdense regions provide complementary information about the properties of our Universe. Unlike dense regions, voids are avoided by matter and are less contaminated by baryonic processes. The first step to understanding the properties of cosmic voids is to correctly infer their mass profiles. In the literature, various techniques have been implemented. In this paper, we review them and implement a new technique that is based on Doppler lensing. We use a relativistic $N$-body code, extsc{Gevolution}, to generate cosmological mass perturbations and implement a three-dimensional ray-tracing technique, which follows the evolution of a ray-bundles. We focus on the various properties of cosmic voids (e.g. void size function, 2-point correlation function, and the density profile of voids), and compare the results with their universal trends. We show that when weak-lensing is combined with the Doppler lensing we obtain even tighter constraints than weak-lensing alone. We also obtain better agreement between density profiles within central parts of voids inferred from lensing and density profiles inferred from halo tracers. The implication of the result relevant to the ongoing and prospective low-redshift spectroscopic surveys is briefly discussed.

研究动机与目标

• 通过结合弱引力透镜和多普勒透镜信号，改进对宇宙空洞质量剖面的约束。
• 评估透镜信号组合对推断空洞密度剖面精度的影响。
• 评估从透镜推断的剖面与宇宙学模拟中晕踪迹推导的剖面之间的一致性。
• 展示多普勒透镜作为未来低红移光谱巡天中空洞互补探测手段的可行性。

提出的方法

• 使用广义相对论N体代码Gevolution模拟宇宙大尺度质量扰动。
• 应用三维光线追踪技术，追踪光束在演化密度场中的传播，计算弱透镜收敛、剪切和放大率。
• 开发三维多普勒透镜算法，量化由星系特殊速度引起的多普勒收敛。
• 基于暗物质粒子场和晕踪迹场识别宇宙空洞，比较不同踪迹下的空洞特性。
• 对模拟透镜数据执行MCMC采样，预测参数约束。
• 将透镜推断的密度剖面与晕踪迹推导的剖面进行比较，评估一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅使用弱透镜相比，结合弱引力透镜和多普勒透镜是否能改进对宇宙空洞质量剖面的约束？
• RQ2 从透镜信号推断的空洞密度剖面与从晕踪迹推导的剖面相比如何？
• RQ3 踪迹选择（暗物质粒子与晕）对空洞大小函数和两点相关函数有何影响？
• RQ4 在低至中等红移区间，多普勒透镜在多大程度上增强了透镜测量的约束能力？
• RQ5 联合透镜信号在多大程度上改善了透镜推断剖面与晕踪迹推导剖面之间的一致性？

主要发现

• 弱透镜剪切、放大率与多普勒透镜收敛的联合分析，其置信区域小于任一单独信号，表明参数约束更紧。
• 在所有空洞半径组中，弱透镜切向剪切提供的密度对比度约束优于弱透镜放大率。
• 联合透镜信号使推断的密度剖面与晕踪迹推导的剖面更加一致，显著减少偏差。
• 空洞大小函数和两点相关函数对所用踪迹场表现出强依赖性，晕-空洞和空洞-空洞相关性在DM场与晕场中表现相似。
• 在中低红移区间，多普勒透镜信号主导于引力透镜信号，增强了对空洞结构的敏感性。
• 结果验证了多普勒透镜作为映射宇宙空洞中物质分布的互补探测手段的有效性，对即将开展的低红移巡天（如DESI和4MOST）具有直接应用价值。