[论文解读] Baryon Acoustic Oscillation detections from the clustering of massive halos and different density region tracers in TianNu simulation

Yu Liu, Liang Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用 3

一句话总结

本研究利用TianNu N体模拟，通过Delaunay三角剖分（DT）空洞作为低密度和高密度区域的示踪子，研究了重子声学振荡（BAO）的探测。结果表明，与模拟星系相比，使用低密度区域示踪子（空洞）可使BAO峰强度增强一个数量级，最优空洞半径约为34 Mpc/h。

ABSTRACT

The Baryon Acoustic Oscillations (BAO) refer to the ripples of material density in the Universe. As the most direct density tracers in the universe, galaxies have been commonly used in studies of BAO peak detection. The spatial number density of galaxies, to a certain extent, reflects the distribution of the material density of our Universe. Using galaxies as matter tracers, we can construct more overlapping empty spheres (DT voids) than the matter tracers, via Delaunay Triangulation technique. We show that their radii excellently reflect the galaxy number density round them, and they can serve as reliable different density region tracers. Using the data from an unprecedented large-scale $N$-body simulation "TianNu", we conduct some fundamental statistical studies and clustering analysis of the DT voids. We discuss in detail the representative features of two-point correlation functions of different DT void populations. We show that the peak, the position of which corresponds to the average radius of data samples, is the most representative feature of the two-point correlation function of the DT voids. In addition, we also construct another voids, the disjoint voids, and investigate their some statistical properties and clustering properties. And we find that the occupied space of all disjoint voids accounts for about $45\%$ of the volume of the simulation box, regardless of the number density of mock galaxies. We also investigate the BAO detections based on different tracers, i.e. mock galaxies, low-density region tracers, and high-density region tracers respectively. Our results show that BAO intensities detected by low/high-density region tracers are enhanced significantly compared to the BAO detection by mock galaxies, for the mock galaxy catalogue with the number density of $7.52 imes10^{-5}$ $h^3$ Mpc$^{-3}$.

研究动机与目标

• 探索TianNu N体模拟中Delaunay三角剖分（DT）空洞作为宇宙密度场示踪子的聚类特性。
• 评估DT空洞与不相交空洞在大尺度结构分析中作为低密度和高密度区域示踪子的有效性。
• 比较模拟星系、低密度示踪子（DT空洞）和高密度示踪子（小DT空洞）在BAO探测性能上的差异。
• 识别能最大化不同密度区域中BAO信号强度的最优空洞半径截断值。
• 评估DT空洞作为高阶统计工具在探测中微子对大尺度结构形成影响方面的潜力。

提出的方法

• 在TianNu模拟的模拟星系分布上使用Delaunay三角剖分构建DT空洞，其中每个空洞是包含无其他星系的星系四面体的外接球。
• 基于DT空洞的半径定义低密度和高密度区域示踪子：大空洞示踪低密度区域，小空洞示踪高密度区域。
• 计算不同DT空洞群体的两点相关函数（2PCF），以分析聚类特征并定位BAO峰。
• 使用高斯过程回归（GPR）拟合模拟星系和空洞示踪子的2PCF，以定量比较BAO信号强度。
• 研究从重叠DT空洞中导出的不相交空洞（非重叠球体）的统计特性，以评估体积覆盖度和密度依赖性。
• 利用模拟的高动态范围和大体积进行稳健的统计分析，尤其关注空洞尺寸分布及其与局部星系数密度的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 DT空洞的聚类特性如何与潜在的星系数密度相关？
• RQ2 DT空洞能否作为宇宙网中低密度和高密度区域的可靠示踪子？
• RQ3 在低密度和高密度区域中，使BAO信号探测强度最大化的最优空洞半径截断值是什么？
• RQ4 与模拟星系相比，低密度和高密度区域示踪子的BAO峰强度有何差异？
• RQ5 不相交空洞所占据的体积在多大程度上取决于模拟星系的数密度？

主要发现

• DT空洞的两点相关函数中的峰位置与平均空洞半径强烈相关，使其成为潜在密度场的稳健指标。
• 尽管存在显著重叠，DT空洞半径仍能可靠反映局部星系数密度，验证了其作为密度示踪子的有效性。
• 不相交空洞所占据的总体积约为模拟盒子体积的45%，且不随模拟星数密度变化。
• 当模拟星系数密度为 $7.52 \times 10^{-5} \, h^3 \, \text{Mpc}^{-3}$ 时，使用低密度区域示踪子（DT空洞）相比模拟星系，BAO峰强度增强了一个数量级。
• 使低密度示踪子中BAO信号强度最大化的最优空洞半径截断值为 $\sim 34 \, \text{Mpc}/h$。
• 对于高密度区域示踪子（小空洞），BAO信号随空洞半径减小而增强，但受样本数量减少导致噪声上升的限制。