[论文解读] DEMNUni: disentangling dark energy from massive neutrinos with the void size function

G Verza, C. Carbone+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

该论文表明，宇宙学模拟中的空洞大小函数（VSF）能够有效打破动力学暗能量与大质量中微子之间的参数退化。利用DEMnUni N体模拟，研究发现VSF对所有测试的动力学暗能量状态方程与总中微子质量组合均具有超过泊松噪声水平的敏感性，使其成为未来欧几里得等巡天项目中强有力的探针。

ABSTRACT

Cosmic voids, the underdense regions in the Universe, are impacted by dark energy and massive neutrinos. In this work, relying on the DEMNUni suite of cosmological simulations, we explore the void size function in cosmologies with both dynamical dark energy and massive neutrinos. We investigate the impact of different choices of dark matter tracers on the void size function and study its sensitivity to the joint effect of modifying the dark energy equation of state and the sum of neutrino masses. We show that dark energy and massive neutrinos produce separable effects on the void size function. This statistic therefore allows us to distinguish among a wide range of combinations of dark energy equations of state and total neutrino masses, and its exploitation in forthcoming large galaxy surveys will be extremely useful in breaking degeneracies among these cosmological parameters.

研究动机与目标

• 研究空洞大小函数（VSF）对暗能量状态方程（EoS）与总中微子质量联合变化的敏感性。
• 评估VSF是否能够打破其他探针难以区分的动力学暗能量与大质量中微子之间的退化。
• 评估不同暗物质示踪体（晕与冷暗物质粒子）对宇宙学模拟中VSF的影响。
• 确定VSF作为未来大尺度星系巡天（如欧几里得）中宇宙学探针的可行性。

提出的方法

• 利用DEMnUni宇宙学N体模拟套件，其共动体积为(2 h⁻¹Gpc)³，包含2048³个暗物质与中微子粒子。
• 模拟了15个宇宙学模型，其暗能量EoS（通过CPL参数化）与总中微子质量（0、0.16、0.32 eV）各不相同。
• 应用空洞搜寻算法，在不同红移下识别由晕与CDM粒子追踪的密度场中的宇宙空洞。
• 计算空洞大小函数，即每对数大小区间的空洞数密度，并在不同宇宙学模型间进行比较。
• 通过将VSF差异与泊松噪声水平进行比较，量化统计显著性。
• 通过固定σ₈而非固定Aₛ重新运行分析，探索结果的鲁棒性，确认结果对该选择不敏感。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在退化的情况下，空洞大小函数能否区分不同的暗能量状态方程与总中微子质量？
• RQ2 选择不同的暗物质示踪体（如晕与CDM粒子）如何影响测得的空洞大小函数？
• RQ3 VSF在区分同时包含动力学暗能量与大质量中微子的宇宙学模型时，其敏感性在多大程度上超过泊松噪声？
• RQ4 固定σ₈而非Aₛ是否会改变VSF打破退化的能力，这对结果的可解释性有何影响？
• RQ5 VSF能否作为独立或补充探针，在未来如欧几里得的星系巡天中打破退化？

主要发现

• 空洞大小函数在所有测试的动力学暗能量EoS与总中微子质量组合之间均表现出统计显著差异，且所有情况下的差异均超过泊松噪声。
• 即使在固定σ₈而非Aₛ的条件下，VSF对宇宙学参数仍保持敏感，且在某些情况下敏感性反而增强，表明其对先验选择具有鲁棒性。
• VSF能够区分动力学暗能量模型（w₀与wₐ变化）与宇宙学常数，即使这些模型在其他探针中存在退化。
• DEMnUni模拟的体积与分辨率与未来欧几里得等巡天所预期的极为接近，使VSF成为未来数据中可行且强大的宇宙学探针。
• VSF对暗能量与大质量中微子的双重敏感性表明，其有助于打破现有宇宙学参数估计中的退化。
• 结果支持将VSF与其它空洞统计量（如空洞-星系互相关）结合使用，以进一步增强宇宙学约束。