[论文解读] Exploring the baryonic effect signature in the Hyper Suprime-Cam Year 3 cosmic shear two-point correlations on small scales: the $S_8$ tension remains present

Ryo Terasawa, Xiangchong Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本研究分析了Hyper Suprime-Cam第3年宇宙剪切两点相关函数，最小尺度达0.28角分，以检验中微子反馈效应是否可作为解决$S_8$张力的方案。利用DarkEmulator2非线性物质功率谱和灵活的中微子模型，结果未发现显著的中微子信号，且在$k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$处最多仅有5%的抑制，不足以解决$S_8$张力。

ABSTRACT

The baryonic feedback effect is considered as a possible solution to the so-called $S_8$ tension indicated in cosmic shear cosmology. The baryonic effect is more significant on smaller scales, and affects the cosmic shear two-point correlation functions (2PCFs) with different scale- and redshift-dependencies from those of the cosmological parameters. In this paper, we use the Hyper Suprime-Cam Year 3 (HSC-Y3) data to measure the cosmic shear 2PCFs ($ξ_{\pm}$) down to 0.28 arcminutes, taking full advantage of the high number density of source galaxies in the deep HSC data, to explore a possible signature of the baryonic effect. While the published HSC analysis used the cosmic shear 2PCFs on angular scales, which are sensitive to the matter power spectrum at $k\lesssim 1~h{ m Mpc}^{-1}$, the smaller scale HSC cosmic shear signal allows us to probe the signature of matter power spectrum up to $k\simeq 20~h{ m Mpc}^{-1}$. Using the accurate emulator of the nonlinear matter power spectrum, DarkEmulator2, we show that the dark matter-only model can provide an acceptable fit to the HSC-Y3 2PCFs down to the smallest scales. In other words, we do not find any clear signature of the baryonic effects or do not find a systematic shift in the $S_8$ value with the inclusion of the smaller-scale information as would be expected if the baryonic effect is significant. Alternatively, we use a flexible 6-parameter model of the baryonic effects, which can lead to both enhancement and suppression in the matter power spectrum compared to the dark matter-only model, to perform the parameter inference of the HSC-Y3 2PCFs. We find that the small-scale HSC data allow only a fractional suppression of up to 5 percent in the matter power spectrum at $k\sim 1~h{ m Mpc}^{-1}$, which is not sufficient to reconcile the $S_8$ tension.

研究动机与目标

• 研究中微子反馈效应是否在小角尺度上于宇宙剪切两点相关函数（ξ±）中留下可探测的信号。
• 评估中微子物理是否可通过在高$k$处抑制物质功率谱来解决$S_8$张力。
• 利用高精度的HSC-Y3数据，最小尺度达0.28角分，探测非线性尺度至$k \sim 20~h~{\rm Mpc}^{-1}$。
• 测试仅暗物质模型与灵活中微子模型在拟合小尺度宇宙剪切信号方面的可行性。
• 探索$\xi_-$和$\xi_{\pm}$中的尺度截断在同时监测中微子特征与约束宇宙学中的效用。

提出的方法

• 利用高源星系密度，从HSC-Y3数据中测量宇宙剪切两点相关函数（ξ₊, ξ₋），最小尺度达0.28角分。
• 采用DarkEmulator2精确建模$k \lesssim 20~h~{\rm Mpc}^{-1}$范围内的非线性物质功率谱。
• 使用仅暗物质模型和一个允许抑制与增强的六参数灵活中微子反馈模型，对观测到的ξ±进行拟合。
• 利用HSC-Y3宇宙剪切似然函数进行贝叶斯参数推断，以约束宇宙学与中微子参数。
• 评估$\xi_-$在小于若干角分尺度上对中微子特征的敏感性，并利用$\xi_{\pm}$中的尺度截断将中微子效应与宇宙学约束解耦。
• 利用模拟器高精度地将中微子反馈效应传播至预测的剪切相关函数中。

Figure 1: Cosmic shear two-point correlation functions: the lower-left diagonal panels are for $\xi_{+}(\theta)$ , while the upper-right diagonal panels are for $\xi_{-}(\theta)$ . Different panels show the auto- and cross-2PCFs for galaxies in two tomographic redshift bins; for instance, $\xi_{\pm}

实验结果

研究问题

• RQ1 HSC-Y3宇宙剪切数据在小尺度（≤0.28角分）是否在物质功率谱中显示出中微子反馈效应的可探测信号？
• RQ2 中微子反馈是否能在$k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$处足够抑制物质功率谱，以解决$S_8$张力？
• RQ3 仅暗物质模型是否仍与小尺度宇宙剪切测量一致，还是必须引入中微子组分？
• RQ4 若存在中微子效应，子角分尺度的$\xi_-$是否可作为诊断工具？
• RQ5 在$\xi_{\pm}$中采用尺度截断，能在多大程度上实现对宇宙学参数与中微子反馈的同步约束？

主要发现

• 仅暗物质模型在0.28角分尺度内对HSC-Y3宇宙剪切2PCF提供了可接受的拟合，表明无显著的中微子信号。
• 在包含小尺度数据时，$S_8$值未出现系统性偏移，表明中微子效应无法解决$S_8$张力。
• 灵活的中微子反馈模型在$k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$处最多仅能实现5%的物质功率谱抑制，不足以调和$S_8$张力。
• 在小于若干角分的尺度上，$\xi_-$相关函数对中微子特征敏感，可作为此类效应的监测工具。
• $\xi_{\pm}$中的尺度截断可实现对宇宙学参数与中微子反馈的同步约束，提升模型分离能力。
• 尽管HSC-Y3数据为中间版本，已将中微子反馈在$k \sim 1~h~{\rm Mpc}^{-1}$处的约束精度提升至5%左右，最终数据发布版本仍有改进空间。

Figure 2: Upper panel : fractional changes in the matter power spectrum $P_{\rm m}(k)$ at $z=0.5$ due to the baryonic effects with AGN feedback parameter of $\Theta_{\rm AGN}\equiv\log_{10}(T_{\rm AGN}/{\rm K})=8.0$ and changes in the cosmological parameter $\Omega_{\rm m}$ or $\sigma_{8}$ , respect