[论文解读] Full-shape analysis with simulation-based priors: cosmological parameters and the structure growth anomaly

Mikhail M. Ivanov, Andrej Obuljen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于模拟的先验框架，用于全形状星系聚类分析，结合大尺度的有效场理论（EFT）与10,500组基于HOD的星系模拟，以约束EFT参数。该方法使Ωₘ和σ₈的约束精度提升30–60%（Ωₘ = 0.315 ± 0.010，σ₈ = 0.671 ± 0.027），再次确认了ΛCDM模型中的结构增长张力。

ABSTRACT

We explore full-shape analysis with simulation-based priors, which is the simplest approach to galaxy clustering data analysis that combines effective field theory (EFT) on large scales and numerical simulations on small scales. The core ingredient of our approach is the prior density of EFT parameters which we extract from a suite of 10500 galaxy simulations based on the halo occupation distribution (HOD) model. We measure the EFT parameters with the field-level forward model, which enables us to cancel cosmic variance. On the theory side, we develop a new efficient approach to calculate field-level transfer functions using time-sliced perturbation theory and the logarithmic fast Fourier transform. We find that the cosmology dependence of EFT parameters of galaxies is approximately degenerate with the HOD parameters, and hence it can be ignored for the purpose of prior generation. We use neural density estimation to model the measured distribution of EFT parameters. Our distribution model is then used as a prior in a reanalysis of the BOSS full-shape galaxy power spectrum data. Assuming the $Λ$CDM model, we find significant ($\approx 30\%$ and $\approx 60\%$) improvements for the matter density fraction and the mass fluctuation amplitude, which are constrained to $Ω_{m}= 0.315 \pm 0.010$ and $σ_8 = 0.671 \pm 0.027$. The value of the Hubble constant does not change, $H_0= 68.7\pm 1.1$~km/s/Mpc. This reaffirms earlier reports of the structure growth tension from the BOSS data. Finally, we use the measured EFT parameters to constrain the galaxy-dark matter connection.

研究动机与目标

• 开发一种稳健的、基于模拟的EFT参数先验，以减少对人为设定的噪声参数边缘化方法的依赖。
• 通过HOD模拟引入真实的星系形成物理机制，提升BOSS全形状数据的宇宙学约束精度。
• 检验基于HOD的EFT先验的宇宙学独立性，确保其在不同宇宙学模型下的鲁棒性。
• 验证EFT框架在红移空间中对星系功率谱的随机噪声描述能力，直至k ≈ 0.45 h Mpc⁻¹。
• 量化EFT参数不确定性对宇宙学推断的影响，特别是在结构增长张力的背景下。

提出的方法

• 作者利用来自Abacus系列的10,500组基于HOD的星系模拟，生成EFT参数的先验分布，涵盖多种晕占有模型下的真实星系聚类。
• 采用场级正向模型直接从模拟中测量EFT参数，实现宇宙方差抵消并实现精确的参数推断。
• 开发一种新型时间分片微扰理论方法，结合对数快速傅里叶变换，以高效计算场级转移函数。
• 使用神经密度估计建模测量得到的EFT参数分布，该分布随后被用作重新分析BOSS全形状数据的先验。
• 该方法在大尺度结合EFT，在小尺度结合基于模拟的先验，避免了非线性区中微扰理论的失效。
• 在三个Abacus宇宙学模型（σ₈ = 0.75、0.86和基准值）下测试了EFT参数的宇宙学依赖性，结果表明宇宙学影响弱于HOD变化，验证了在不同宇宙学中使用单一先验的合理性。

Figure 1: A typical HOD mock galaxy distribution in real space (upper panel) and redshift space (lower panel) from our set (left), field-level EFT fit to it (center), and the residuals (right). The overdensity field has been smoothed with a $R=4\,h^{-1}{\text{Mpc}}$ 3D Gaussian filter, the depth of

实验结果

研究问题

• RQ1 基于模拟的EFT参数先验是否能显著提升全形状星系聚类分析中的宇宙学约束精度？
• RQ2 与标准EFT方法相比，引入基于HOD的模拟后，Ωₘ和σ₈的约束精度提升程度如何？
• RQ3 EFT参数对基础宇宙学的依赖程度有多大？在生成先验时是否可以安全忽略这种依赖？
• RQ4 EFT框架是否能准确描述红移空间中至k ≈ 0.45 h Mpc⁻¹的随机噪声功率谱？
• RQ5 EFT参数的不确定性对BOSS数据中观测到的结构增长张力有何影响？

主要发现

• 该方法使物质密度分数的约束精度提升30%，得到Ωₘ = 0.315 ± 0.010。
• 质量涨落振幅的约束精度提升60%，得到σ₈ = 0.671 ± 0.027。
• 哈勃常数保持不变，为H₀ = 68.7 ± 1.1 km/s/Mpc，与先前的BOSS分析结果一致。
• 包含高阶修正的EFT模型能准确预测红移空间中至k ≈ 0.45 h Mpc⁻¹的噪声功率谱，残差随k⁴缩放。
• EFT参数的宇宙学依赖性弱于HOD变化，验证了在不同宇宙学中使用单一先验的合理性。
• 未发现准线性尺度上噪声功率谱形状更平缓的证据，与暗物质情况不同，表明EFT在包含适当高阶修正后对星系仍具有效性。

Figure 2: Cosmological parameters from the EFT-based full shape analysis of the BOSS power spectrum with conservative and informative simulation-based priors on EFT parameters. For comparison, the Planck 2018 results for $\Lambda$ CDM+ $m_{\nu}$ are also shown.