[论文解读] DES Y3 cosmic shear down to small scales: constraints on cosmology and baryons

Giovanni Aricò, Raúl E. Angulo+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究首次在DES Y3宇宙 shear 分析中纳入所有角度尺度，包括小尺度，借助BACCOemu这一结合N体模拟与神经网络的模型，对重子物理进行先进建模。该分析收紧了宇宙学参数的约束，测得 $S_8 = 0.799^{+0.023}_{-0.015}$ 和 $"log M_c = 14.38^{+0.60}_{-0.56}$，结果与Planck在0.9σ水平一致，但相较于官方DES Y3 shear分析存在1.4σ的偏移，这是由于对重子物理、非线性效应和本征对齐的建模改进所致。

ABSTRACT

We present the first analysis of cosmic shear measured in DES Y3 that employs the entire range of angular scales in the data. To achieve this, we build upon recent advances in the theoretical modelling of weak lensing provided by a combination of $N$-body simulations, physical models of baryonic processes, and neural networks. Specifically, we use BACCOemu to model the linear and nonlinear matter power spectrum including baryonic physics, allowing us to robustly exploit scales smaller than those used by the DES Collaboration. We show that the additional data produce cosmological parameters that are tighter but consistent with those obtained from larger scales, while also constraining the distribution of baryons. In particular, we measure the mass scale at which haloes have lost half of their gas, $\log\,M_{ m c}=14.38^{+0.60}_{-0.56}\log(h^{-1}{ m M_{ \odot}})$, and a parameter that quantifies the weighted amplitudes of the present-day matter inhomogeneities, $S_8=0.799^{+0.023}_{-0.015}$. Our constraint on $S_8$ is statistically compatible with that inferred from the Planck satellite's data at the $0.9σ$ level. We find instead a $1.4σ$ shift in comparison to that from the official DES Y3 cosmic shear, because of different choices in the modelling of intrinsic alignment, non-linearities, baryons, and lensing shear ratios. We conclude that small scales in cosmic shear data contain valuable astrophysical and cosmological information and thus should be included in standard analyses.

研究动机与目标

• 使用全部角度尺度（包括以往因建模挑战而被排除的小尺度）重新分析DES Y3宇宙shear数据。
• 探究重子物理（特别是由反馈驱动的气体重分布）是否能缓解CMB与弱引力透镜测量之间的$S_8$张力。
• 开发并应用一种稳健且基于物理的物质功率谱模型，结合$N$-体模拟与神经网络代理模型，以包含非线性和重子效应。
• 约束星系晕中气体质量尺度$M_c$，即星系晕失去一半气体时的质量，作为重子反馈效率的直接探针。
• 评估改进的本征对齐、剪切比值和非线性效应建模对宇宙学参数约束的影响。

提出的方法

• 利用BACCOemu——一种基于神经网络的代理模型，该模型基于$N$-体模拟训练而成——来建模包含重子物理的线性和非线性物质功率谱，覆盖所有宇宙学参数。
• 通过引入物理上合理的重子反馈模型（如超新星和活动星系核反馈）来扩展宇宙shear分析至小尺度（高$\ell$），这些模型在小尺度上抑制功率。
• 执行3x2pt分析，结合宇宙shear、星系-星系引力透镜和星系聚类，利用BACCOemu提供的非线性偏置代理模型来模拟星系聚类和透镜信号。
• 通过基于物理的参数化模型，纳入本征对齐和剪切比值校正等系统误差。
• 利用CosmoSIS框架进行贝叶斯推断，以BACCOemu预测结果作为似然函数的信息来源，约束宇宙学参数。
• 通过与Planck CMB数据及官方DES Y3宇宙shear结果对比，验证结果的一致性，并评估建模选择带来的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 重子反馈过程在多大程度上能抑制宇宙shear信号中的小尺度功率？这是否能解释部分$S_8$张力？
• RQ2 改进的非线性结构增长和本征对齐建模如何影响DES Y3宇宙shear数据中$S_8$的推断值？
• RQ3 在气体损失达到50%的特征星系晕质量尺度$M_c$上，可获得何种约束？这作为重子反馈效率的探针有何意义？
• RQ4 与官方DES Y3宇宙shear分析相比，纳入小尺度宇宙shear数据的结果有何差异？其驱动因素是什么？
• RQ5 能否通过一个统一的建模框架（包含重子物理、非线性效应和本征对齐）来减少弱引力透镜宇宙学中的系统误差？

主要发现

• 纳入小尺度宇宙shear数据可显著收紧宇宙学参数约束，测得$S_8 = 0.799^{+0.023}_{-0.015}$，与Planck的$S_8$在0.9σ水平一致。
• 该分析将星系晕中气体损失达50%的质量尺度约束为$\log M_c = 14.38^{+0.60}_{-0.56} \, \log(h^{-1} M_\odot)$，为重子反馈效率提供了直接探针。
• $S_8$约束相比官方DES Y3宇宙shear分析存在1.4σ的偏移，主要源于本征对齐、非线性效应、重子物理和剪切比值建模的差异。
• 结果表明，小尺度宇宙shear包含宝贵的宇宙学与天体物理信息，应在标准分析中纳入，以减少系统性偏差。
• 基于BACCOemu的建模框架成功捕捉了物质功率谱中的非线性和重子效应，实现了稳健的小尺度推断。
• 本研究证实，重子物理可抑制小尺度功率，但这种抑制本身不足以完全缓解$S_8$张力，提示可能存在其他系统误差或新物理。