[论文解读] Baryonic effects on weak-lensing two-point statistics and its cosmological implications

Irshad Mohammed, Davidé Martizzi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 30

一句话总结

该论文提出了一种包含恒星物理效应（包括类星体反馈、热等离子体和绝热压缩的暗物质）的分析晕模型，用于弱引力透镜两两点统计。结果表明，若忽略重子物质，在高多极数（ℓ_max = 8000）下会导致宇宙学参数估计出现高达10σ的偏差；但通过引入关键晕质量参数 $M_{\rm crit}$，可实现对 $M_{\rm crit}$ 及宇宙学参数（如 $Ω_m$ 和 $σ_8$）的无偏、亚2%精度约束。

ABSTRACT

We develop an extension of extit{the Halo Model} that describes analytically the corrections to the matter power spectrum due to the physics of baryons. We extend these corrections to the weak-lensing shear angular power spectrum. Within each halo, our baryonic model accounts for: 1) a central galaxy, the major stellar component whose properties are derived from abundance matching techniques; 2) a hot plasma in hydrostatic equilibrium and 3) an adiabatically-contracted dark matter component. This analytic approach allows us to compare our model to the dark-matter-only case. Our basic assumptions are tested against the hydrodynamical simulations of Martizzi et. al. (2014), with which a remarkable agreement is found. Our baryonic model has only one free parameter, $M_{ m crit}$, the critical halo mass that marks the transition between feedback-dominated halos, mostly devoid of gas, and gas rich halos, in which AGN feedback effects become weaker. We explore the entire cosmological parameter space, using the angular power spectrum in three redshift bins as the observable, assuming a Euclid-like survey. We derive the corresponding constraints on the cosmological parameters, as well as the possible bias introduced by neglecting the effects of baryonic physics. We find that, up to $\ell_{max}$=4000, baryonic physics plays very little role in the cosmological parameters estimation. However, if one goes up to $\ell_{max}$=8000, the marginalized errors on the cosmological parameters can be significantly reduced, but neglecting baryonic physics can lead to bias in the recovered cosmological parameters up to 10$σ$. These biases are removed if one takes into account the main baryonic parameter, $M_{ m crit}$, which can also be determined up to 1-2\%, along with the other cosmological parameters.

研究动机与目标

• 量化重子物理对精确宇宙学中弱引力透镜剪切角功率谱的影响。
• 开发一种包含晕内重子组分（星系中心、热等离子体和压缩暗物质）的分析晕模型。
• 评估在未来如欧几里得空间望远镜等巡天中，忽略重子物理对宇宙学参数估计造成的偏差。
• 确定是否可仅通过弱引力透镜数据独立约束重子参数 $M_{\rm crit}$，而无需依赖宇宙学参数。
• 确定弱引力透镜功率谱分析的最优 $\ell_{\rm max}$，以在宇宙学敏感度与重子效应偏差之间取得平衡。

提出的方法

• 将晕模型扩展以包含重子组分：通过丰度匹配引入中心星系，热等离子体处于流体静力平衡状态，以及绝热压缩的暗物质。
• 引入 $M_{\rm crit}$ 作为唯一自由参数，表征反馈主导与富气体晕之间的过渡。
• 基于流体动力学模拟（Martizzi et al., 2014）校准模型，获得极佳的一致性。
• 利用改进的晕模型计算弱引力透镜剪切角功率谱 $C_\ell$，比较包含重子（BAR）与仅暗物质（DMO）的情况。
• 对模拟的欧几里得望远镜数据在多个红移窗口中执行费舍尔矩阵分析，以推导宇宙学约束。
• 同时考虑高斯与非高斯协方差分量，但未完全建模非高斯性，以隔离重子效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 重子物理（特别是类星体反馈、热等离子体和暗物质压缩）如何影响弱引力透镜剪切角功率谱？
• RQ2 忽略重子物理对宇宙学参数估计的影响是什么，特别是在高 $\ell$ 区域？
• RQ3 是否可仅通过弱引力透镜数据独立约束重子参数 $M_{\rm crit}$，而无需依赖宇宙学参数？
• RQ4 在何种 $\ell_{\rm max}$ 下，重子物理成为引入偏差的主导因素？最优分析配置是什么？
• RQ5 非高斯协方差效应在大小上与重子修正相比如何，是否限制了宇宙学约束？

主要发现

• 当 $\ell_{\rm max} = 8000$ 且忽略重子物质时，重子物理会导致 $\sigma_8$ 等宇宙学参数出现高达10σ的偏差。
• 在分析中引入 $M_{\rm crit}$ 作为自由参数可消除宇宙学偏差，实现无偏约束。
• $M_{\rm crit}$ 在 $\ell_{\rm max} = 8000$ 时可实现1–2%的精度约束，且从 $\ell_{\rm max} = 1000$ 时的15%迅速改善。
• 在 $\ell_{\rm max} = 8000$ 时，宇宙学参数 $\Omega_m$ 和 $\sigma_8$ 的估计精度分别可达约2%和0.5%。
• $M_{\rm crit}$ 的方差在 $\ell_{\rm max} \approx 8000$ 处趋于稳定，表明在此之后进一步提升分析精度无益。
• 在高 $\ell$ 区域，非高斯协方差效应的幅度小于重子修正效应，因为在 $\ell_{\rm max} = 10000$ 时，重子偏差比非高斯协方差大六倍。