[논문 리뷰] The MillenniumTNG Project: The hydrodynamical full physics simulation and a first look at its galaxy clusters

Rüdiger Pakmor, Volker Springel외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 18.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

밀레니엄TNG 프로젝트는 (740 Mpc)³의 대용량, 고해상도 천체구조 형성의 유체역학적 시뮬레이션인 MTNG740을 제시한다. 이 시뮬레이션은 3.1×10⁷ M☉의 비가열 물질 질량 해상도를 가지며, 관측된 은하단 스케일링 관계, 반경 프로파일, Compton-y 신호를 잘 재현한다. 이는 플랑크와 SDSS-8 RedMaPPer 데이터와 양호한 일치를 보이며, 다만 SZ 기반 질량 추정치는 시뮬레이션 결과를 맞추기 위해 0.2 dex의 하향 조정이 필요하다.

ABSTRACT

Cosmological simulations are an important theoretical pillar for understanding nonlinear structure formation in our Universe and for relating it to observations on large scales. In several papers, we introduce our MillenniumTNG (MTNG) project that provides a comprehensive set of high-resolution, large volume simulations of cosmic structure formation aiming to better understand physical processes on large scales and to help interpreting upcoming large-scale galaxy surveys. We here focus on the full physics box MTNG740 that computes a volume of $(740\,\mathrm{Mpc})^3$ with a baryonic mass resolution of $3.1 imes~10^7\,\mathrm{M_\odot}$ using extsc{arepo} with $80.6$~billion cells and the IllustrisTNG galaxy formation model. We verify that the galaxy properties produced by MTNG740 are consistent with the TNG simulations, including more recent observations. We focus on galaxy clusters and analyse cluster scaling relations and radial profiles. We show that both are broadly consistent with various observational constraints. We demonstrate that the SZ-signal on a deep lightcone is consistent with Planck limits. Finally, we compare MTNG740 clusters with galaxy clusters found in Planck and the SDSS-8 RedMaPPer richness catalogue in observational space, finding very good agreement as well. However, {\it simultaneously} matching cluster masses, richness, and Compton-$y$ requires us to assume that the SZ mass estimates for Planck clusters are underestimated by $0.2$~dex on average. Thanks to its unprecedented volume for a high-resolution hydrodynamical calculation, the MTNG740 simulation offers rich possibilities to study baryons in galaxies, galaxy clusters, and in large scale structure, and in particular their impact on upcoming large cosmological surveys.

연구 동기 및 목표

• 우주 천체구조 형성의 대용량, 고해상도 유체역학적 시뮬레이션을 구축하여 천체물리학적 과정을 천체물리 스케일 전반에서 포괄하는 것.
• 플랑크와 SDSS-8 RedMaPPer의 관측 데이터와 직접 비교할 수 있도록 하여 불확실한 질량 추정치에 의존하지 않는 것.
• 이전에 가능했던 것보다 훨씬 큰 시뮬레이션 볼륨에서 IllustrisTNG 은하 형성 모델의 강건성을 테스트하는 것.
• 빈도와 Compton-y와 같은 관측 가능량을 비교하여 관측된 은하단 질량 추정치의 편향을 정량화하는 것.
• 향후 DESI와 유클리드와 같은 대규모 천체론 설문 조사의 해석을 위한 공개 가능한 고정밀도 시뮬레이션 기반 자료를 제공하는 것.

제안 방법

• (740 Mpc)³의 볼륨을 arepo 코드를 사용하여 시뮬레이션하고, 806억 개의 셀과 완전한 IllustrisTNG 은하 형성 모델을 적용하는 것.
• 적응형 메쉬 정밀도와 스무스드 파article 유체역학을 활용하여 고해상도에서 은하 형성과 피드백 과정을 해석하는 것.
• z=5까지의 깊은 라이트콘을 생성하여 Compton-y 파arameter를 계산하고, 우주 시간 전반에 걸쳐 수성-젤드로프 효과를 연구하는 것.
• 일관된 개구부 정의(구형 및 실린더형)를 사용하여 관측 기술에 맞추어 은하단 관측 가능량—빈도, Compton-y, 반경 프로파일—을 측정하는 것.
• 큰 개구부 측정에서 배경 Compton-y 기여를 제거하기 위해 매칭 필터링을 적용하여 본질적인 은하단 신호를 분리하는 것.
• 빈도와 Compton-y를 공동 관측 가능량으로 사용하여, 관측 공간에서 플랑크와 SDSS-8 RedMaPPer 은하단과 직접적으로 MTNG740 은하단을 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MTNG740 시뮬레이션의 은하단이 열역학적 및 열적 양에 대해 관측된 스케일링 관계와 반경 프로파일을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ2 심층 라이트콘에서의 시뮬레이션된 Compton-y 신호는 우주 마이크로파 배경의 수성-젤드로프 효과에 대한 플랑크 제약 조건과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 플랑크와 SDSS-8 RedMaPPer 카탈로그에서 측정된 것과 비교했을 때, 시뮬레이션된 은하단의 빈도와 Compton-y는 어떻게 다른가?
• RQ4 플랑크에서의 SZ 기반 질량 추정치와 MTNG740 시뮬레이션의 진짜 질량 사이의 괴리의 근본 원인은 무엇인가?
• RQ5 향후 천체론 설문 조사에서 은하단 질량 추정치의 관측 편향을 보정하는 데 이 시뮬레이션을 사용할 수 있는가?

주요 결과

• MTNG740 시뮬레이션은 X-COP 조사에서 관측된 결과와 비교했을 때, 특히 쿨코어가 아닌 은하단에 대해 스케일링 관계와 반경 프로파일이 괜찮은 일치를 보인다.
• 심층 라이트콘에서의 시뮬레이션된 Compton-y 신호는 플랑크 제약 조건과 일치하며, 이는 큰 스케일에서 열역학적 비가열 물질 물리학 처리의 타당성을 검증한다.
• 큰 개구부(5 R₅₀₀)에서는 Compton-y 배경 기여가 측정된 신호에 크게 기여하므로, 편향 없는 은하단 신호 추출을 위해 매칭 필터링이 필수적이다.
• 관측 공간에서 직접 비교했을 때, MTNG740 은하단은 빈도와 Compton-y에서 플랑크와 SDSS-8 RedMaPPer 은하단과 양호한 일치를 보이지만, 플랑크의 SZ 기반 M₅₀₀ 질량 추정치에 0.2 dex의 하향 조정이 적용되어야만 한다.
• 이 질량 추정치의 괴리 정도는 다른 SZ 설문 조사에서 최근에 적용된 약한 렌즈 및 빈도 기반 보정과 일치하며, 플랑크에서 SZ 질량이 체계적으로 과소평가되고 있음을 시사한다.
• 이 시뮬레이션은 현재 TNG 피드백 모델이 냉각핵 은하단을 재현하는 데 어려움을 겪고 있음을 드러내며, 거대 체계에서 대규모 제트를 포함한 향상된 AGN 피드백 모델이 필요함을 시사한다.