[论文解读] Distinguish dark matter theories with the cosmic web and next-generation surveys I: an alternative theory of gravity

Pierre Boldrini, C. Laigle|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2024

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究探讨了Monge-Ampère引力——一种非泊松型广义相对论替代理论——对仅含暗物质模拟中宇宙网丝状结构连通性的影响。利用205 Mpc/h的模拟数据，结合DisPerSE丝状结构提取方法，研究发现Monge-Ampère引力增强了丝状结构的形成，并改变了晕的连通性随红移的演化特征，使得连通性的斜率与截距成为下一代巡天（如Euclid）中区分引力模型的稳健探针。

ABSTRACT

In the context of future large surveys like the Euclid mission, extracting the cosmic web from galaxies at higher redshifts with more statistical power will become feasible, particularly within the group-cluster mass regime. Therefore, it is imperative to enlarge the number of metrics that can used to constrain our cosmological models at these large scales. The number of cosmic filaments surrounding galaxies, groups and clusters, namely the connectivity, has recently emerged as a compelling probe of the large-scale structures, and has been investigated in various observational and numerical analyses. In this first paper, we examine dark matter-only cosmological simulations using the widely used DisPerSE filament finder code under two theories of gravity: the Poisson ($Λ$CDM) and the Monge-Ampère models, in order to quantify how alternative models of gravity alter the properties of the cosmic skeleton. We specifically focused on this alternative gravity theory due to its propensity to enhance the formation of anisotropic structures such as filaments, but it also makes them more resistant to collapse, which consequently reduces the formation of halos. Indeed, our findings reveal that replacing the Poisson equation has a significant impact on the hierarchical formation scenario. This is evidenced by examining the redshift evolution of both the slope and the offset of the connectivity. Additionally, we demonstrated that current observations are generally in better agreement with our well-established gravity model. Finally, our study suggests that filament connectivity in the group-cluster regime could serve as a probe of our gravity model at cosmological scales. We also emphasize that our approach could be extended to alternative theories of dark matter, such as warm or fuzzy dark matter, given the extraordinary datasets provided by next-generation surveys.

研究动机与目标

• 评估替代引力理论（特别是Monge-Ampère引力）与标准ΛCDM相比，对宇宙网大尺度结构的影响。
• 量化泊松（ΛCDM）与Monge-Ampère引力模型之间在丝状结构连通性（特别是与星系群和星系团相连的丝状结构数量）方面的差异。
• 评估连通性度量（斜率与截距）的红移演化是否可作为未来巡天中区分引力模型的观测探针。
• 建立一个用于模拟与观测宇宙网结构之间无偏比较的基准，同时考虑巡_survey_特异性系统误差。
• 探索利用未来高精度数据，将此框架扩展至暖暗物质或模糊暗物质等其他暗物质模型。

提出的方法

• 在205 Mpc/h的盒子中，分别基于泊松（ΛCDM）和Monge-Ampère引力模型，开展仅含暗物质的宇宙学模拟，质量分辨率达8×10^9 M⊙。
• 应用DisPerSE丝状结构提取算法，从粒子分布中提取宇宙骨架，并通过CPmax-halos方法校准，以确保模拟与观测之间的一致性。
• 将晕的连通性定义为连接至Mvir > 10^14 M⊙以上晕的丝状结构数量，重点关注星系群与星系团质量尺度。
• 分析连通性度量（从z = 0到z = 2）的红移演化特征，包括连通性函数的斜率与截距。
• 通过CPmax-halos方法，独立校准模拟与观测中的DisPerSE持续性阈值，以最小化丝状结构检测中的偏差。
• 生成包含真实噪声与仪器效应的模拟巡天数据，以实现模拟与真实观测之间的端到端比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准ΛCDM相比，Monge-Ampère引力如何改变宇宙丝状结构的形成与连通性？
• RQ2 晕连通性的红移演化（斜率与截距）是否能够有效区分泊松与Monge-Ampère引力模型？
• RQ3 当前观测数据在星系群-星系团质量区间内，与ΛCDM模型预测的一致性程度如何，是否更支持替代引力模型？
• RQ4 高质晕的连通性是否可作为大尺度上检验引力理论的稳健宇宙学探针？
• RQ5 如何减轻观测巡天中的系统性偏差，以实现与模拟宇宙网结构的可靠比较？

主要发现

• Monge-Ampère引力显著改变了大尺度结构的分层形成过程，导致丝状结构形成增强，同时抑制了晕的坍缩。
• Monge-Ampère与泊松引力模型在连通性斜率与截距的红移演化上表现出显著差异，前者在高红移时表现出更陡的斜率与更高的截距。
• 在z = 1.5时，Monge-Ampère模拟中每个晕的连通性达到9.5条丝状结构（而ΛCDM中为7条），表明其环境更富丝状结构。
• 当前观测数据总体上更符合标准ΛCDM模型，而非Monge-Ampère引力，表明现有数据对后者较为不利。
• 连通性在红移范围内的斜率与截距被确认为未来巡天中区分引力模型的强大且可量化的度量指标。
• 所提出的基准方法——结合校准后的模拟数据与CPmax-halos对DisPerSE进行校准——可实现无偏、理论无关的模拟与观测比较，为未来测试替代引力与暗物质模型铺平道路。