[论文解读] Excursion Set Halos -- ExSHalos: A New Parameter Free Method for Fast Generation of Halo Catalogues

Rodrigo Voivodic, M. Lima+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2019

Geophysics and Gravity Measurements被引用 6

一句话总结

该论文提出ExSHalos，一种无需参数、快速生成暗物质晕星系目录的方法，仅需线性物质功率谱和晕形成阈值。该方法利用拉格朗日微扰理论与穿越集理论，生成的晕星系在丰度、大尺度功率谱、三阶相关函数及速度场方面均符合真实结果，无需N体模拟即可高效生成下一代宇宙学巡天的模拟星系目录。

ABSTRACT

We develop a new, simple, fast and parameter-free method to construct dark matter halo catalogues. This method requires as inputs only the linear matter power spectrum and the threshold density for halo formation in linear theory. It directly uses excursion set ideas and Lagrangian perturbation theory to produce halo catalogues with the correct abundance, large scale power spectrum, bispectrum and velocity field. These halo catalogues can be used for the fast construction of mock galaxy catalogues, allowing for the evaluation of covariance matrices for multiple observables. Because of its robustness and predictive nature, this method can be easily adapted to produce catalogues with e.g. primordial non-Gaussianities, modified theories of gravity and non-standard dark energy models, enabling detailed studies of these models in the context of next-generation surveys. We implement this method in a C code, and present numerical comparisons with theoretical predictions as well as full N-body cosmological simulations.

研究动机与目标

• 解决通过完整N体模拟生成数千个晕星系目录以估算协方差矩阵时的计算瓶颈。
• 克服现有近似晕生成方法依赖自由参数或无法重现非线性统计特性的局限。
• 开发一种可预测的无参数方法，无需校准即可准确捕捉晕的丰度、功率谱、三阶相关函数与速度场。
• 通过避免昂贵的N体模拟，实现对非标准物理（如原初非高斯性或修正引力）宇宙学模型的高效探索。
• 提供一种计算轻量级的N体模拟替代方案，保留晕的关键统计特性，适用于模拟星系目录应用。

提出的方法

• 使用拉格朗日微扰理论（LPT），特别是2LPT，从高斯随机场中位移粒子，构建初始密度场。
• 应用穿越集理论，将平滑密度场中的峰值识别为潜在晕中心，晕质量由平滑场首次通过临界阈值时确定。
• 将每个峰值的拉格朗日位置作为晕中心，并基于穿越集形式化方法分配质量，避免使用晕查找算法。
• 直接从初始高斯场生成晕星系目录，无需随时间演化粒子，从而省去N体积分步骤。
• 通过匹配Tinker等（2008）的晕质量函数与大尺度功率谱，确保与理论预测的一致性。
• 使用C语言实现该方法，以实现高性能、可扩展的大规模晕星系目录生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 无参数方法能否在无需校准的情况下，生成与完整N体模拟一致的丰度、功率谱与三阶相关函数的晕星系目录？
• RQ2 拉格朗日微扰理论在缺乏非线性N体演化的情况下，能在多大程度上准确再现大尺度结构与晕的聚类特性？
• RQ3 穿越集方法生成的晕质量函数在不同质量尺度上与理论预测及N体模拟相比如何？
• RQ4 该方法能否高效生成具有正确协方差矩阵的模拟星系目录，以满足未来大尺度巡天的需求？
• RQ5 该方法在哪些方面可扩展以包含非标准宇宙学物理，如原初非高斯性或修正引力？

主要发现

• ExSHalos在所有质量尺度上均高精度重现了Tinker等（2008）的晕质量函数，尤其在低质量区域优于N体模拟，这是由于后者受分辨率限制。
• 该方法正确恢复了晕的大尺度功率谱与三阶相关函数，与理论预测及N体模拟在大尺度上一致。
• 尽管缺乏完整的非线性演化，ExSHalos基于LPT的位移仍能保持大质量晕与宇宙网结构的正确位置，但小尺度聚类程度有所降低。
• 由于能够分辨低于模拟分辨率极限的密度峰值，ExSHalos生成的低质量晕数量多于N体模拟。
• ExSHalos生成的晕速度场与线性理论及模拟结果的统计特性一致，验证了该方法的预测能力。
• 该方法以远低于N体模拟的计算成本，实现了具有正确统计特性的模拟星系目录生成，使大规模协方差矩阵估算成为可能。