[論文レビュー] The FLAMINGO project: the coupling between baryonic feedback and cosmology in light of the $S_8$ tension

Willem Elbers, Carlos S. Frenk+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、$S_8$緊張の文脈において、バリオン核反応と宇宙論の結合を、FLAMINGO流体ダイナミクスシミュレーションを用いて調査している。バリオン核反応は宇宙論的パラメータによって強く制御され、特に質量のあるニュートリノや崩壊するダークマターを含むモデルでは、個々の効果の和を上回る非因数化された、強化された物質パワースペクトルの抑制が生じる。これは特に短い寿命を持つ崩壊するダークマターにおいて顕著である。

ABSTRACT

Large-scale structure surveys have reported measurements of the density of matter, $Ω_\mathrm{m}$, and the amplitude of clustering, $σ_8$, that are in tension with the values inferred from observations of the cosmic microwave background. While this may be a sign of new physics that slows the growth of structure at late times, strong astrophysical feedback processes could also be responsible. In this work, we argue that astrophysical processes are not independent of cosmology and that their coupling naturally leads to stronger baryonic feedback in cosmological models with suppressed structure formation or when combined with a mechanism that removes dark matter from halos. We illustrate this with two well-motivated extensions of the Standard Model known to suppress structure formation: massive neutrinos and decaying dark matter. Our results, based on the FLAMINGO suite of hydrodynamical simulations, show that the combined effect of baryonic and non-baryonic suppression mechanisms is greater than the sum of its parts, particularly for decaying dark matter. We also show that the dependence of baryonic feedback on cosmology can be modelled as a function of the ratio $f_\mathrm{b}/c^2_\mathrm{v}\sim f_\mathrm{b}/(Ω_\mathrm{m}σ_8)^{1/4}$ of the universal baryon fraction, $f_\mathrm{b}$, to a velocity-based definition of halo concentration, $c^2_\mathrm{v}$, giving an accurate fitting formula for the baryonic suppression of the matter power spectrum. Although the combination of baryonic and non-baryonic suppression mechanisms can resolve the tension, the models with neutrinos and decaying dark matter are challenged by constraints on the expansion history.

研究の動機と目的

• バリオン核反応と宇宙論的抑制メカニズム（例：質量のあるニュートリノ、崩壊するダークマター）が、大規模構造に与える影響が因数分解可能かどうかを調査すること。
• バリオン核反応と非バリオン核反応の抑制の組み合わせが、CMBと弱引力レンズ観測の間の$S_8$緊張を解消できるかどうかを評価すること。
• 宇宙論依存の核反応に起因する非因数化補正を定量化し、それが宇宙論的推論に与える影響を評価すること。
• 宇宙論的依存の核反応強度を捉えるために、$f_{\mathrm{b}}/c^{2}_{\mathrm{v}} \sim f_{\mathrm{b}}/(Ω_{\mathrm{m}}\sigma_{8})^{1/4}$の比に基づくバリオン核反応抑制のフィッティング式を開発すること。
• 宇宙論的依存性を考慮しないままフィードバックパラメータを周辺化する現在の宇宙論的解析が、非標準モデルにおいてどのようなバイアスを生じるかを評価すること。

提案手法

• 質量のあるニュートリノ（$\sum m_\nu = 0.24$–$0.48$ eV）および崩壊するダークマター（$\Gamma = 24$ km/s/Mpc）を含む$\Lambda$CDMの拡張モデルにおける構造形成をモデル化するために、宇宙論的流体ダイナミクスシミュレーションのFLAMINGOスイートを用いた。
• 各シミュレーションにおける物質パワースペクトルを計算し、バリオン核反応および非バリオン核反応メカニズムに起因する抑制を定量化した。
• 無次元比$ f_{\mathrm{b}}/c^{2}_{\mathrm{v}} \sim f_{\mathrm{b}}/(Ω_{\mathrm{m}}\sigma_{8})^{1/4} $を用いて、宇宙論に依存する核反応強度を定義した。ここで$ f_{\mathrm{b}} $は全宇宙のバリオン分率、$ c^{2}_{\mathrm{v}} $は速度に基づくハロー濃度である。
• この比を関数として、物質パワースペクトルのバリオン核反応抑制をフィッティングし、さまざまな宇宙論においても有効なフィッティング式を導出した。
• 組み合わせたメカニズムによる総抑制を、個々の抑制の和と比較して、非因数化補正を特定した。
• 非因数化補正の赤方偏移およびスケール依存性を分析することで、宇宙論的パラメータとフィードバックパラメータのデゲネラシーを評価した。

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実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン核反応は、特に構造形成が抑制されるモデルにおいて、どの程度宇宙論的パラメータに依存するか？
• RQ2 バリオン核反応と非バリオン核反応の抑制（例：質量のあるニュートリノ、崩壊するダークマター）の組み合わせが、CMBと弱引力レンズ観測の間の$S_8$緊張を解消できるか？
• RQ3 宇宙論依存の核反応に起因する非因数化補正が、現在および将来の調査における宇宙論的推論にどのように影響を与えるか？
• RQ4 バリオン核反応抑制の関数的形態は、宇宙論的パラメータの関数としてどのように表されるか？また、単一のフィッティング式で捉えることができるか？
• RQ5 宇宙論的依存性を考慮しないままフィードバックパラメータを周辺化することは、非標準モデルにおいて、宇宙論的制約にどのようなバイアスを生じるか？

主な発見

• バリオン核反応と非バリオン核反応の組み合わせ効果は、個々の効果の和を上回る。特に寿命41ギガ年（$\Gamma = 24$ km/s/Mpc）の崩壊するダークマターでは、標準モデルと比較してバリオン核反応の抑制が2倍以上強くなる。
• 質量のあるニュートリノ（$\sum m_\nu = 0.48$ eV）では、ニュートリノ抑制と標準的なバリオン核反応の組み合わせがCMBと弱引力レンズの$S_8$測定値を一致させるが、このモデルはCMBおよびBAOからの幾何的制約によって不利益に評価される。
• 核反応の宇宙論依存性は、$k > 1\,\mathrm{Mpc}^{-1}$のスケールおよび$z < 1$の赤方偏移で最も顕著であり、核反応強度が宇宙論的文脈に大きく依存することを示している。
• FLAMINGOシミュレーション全体にわたって、$f_{\mathrm{b}}/c^{2}_{\mathrm{v}} \sim f_{\mathrm{b}}/(Ω_{\mathrm{m}}\sigma_{8})^{1/4}$に基づくバリオン核反応抑制のフィッティング式は、宇宙論的依存核反応強度を正確に捉えている。
• 非因数化補正を考慮しないフィードバックパラメータ（例：Meadら（2015）モデル）は、宇宙論的および天体物理学的情報を同時に含んでおり、周辺化を行うと宇宙論的情報が損なわれる。
• 本研究は、将来的な宇宙論的推論において、宇宙論に明示的に依存するフィードバックモデルを用いるか、天体物理学的および宇宙論的パラメータを同時に変化させるシミュレーションを用いる必要があると示唆している。

(a)