[论文解读] Information content in mean pairwise velocity and mean relative velocity between pairs in a triplet

Joseph Kuruvilla, Y. Akrami|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 71被引用 1

一句话总结

本文引入了一种子弹对三元组中成对晕质量的平均相对速度作为新型宇宙学探针，通过N体模拟证明，该方法在中微子质量信息含量方面比平均成对速度高出13.4倍。利用Quijote模拟套件与Fisher矩阵分析，对中微子质量之和的1σ约束达到0.0655 eV，显著优于现有方法，为未来CMB与特殊速度巡天提供了强大新工具。

ABSTRACT

Velocity field provides a complementary avenue to constrain cosmological information, either through the peculiar velocity surveys or the kinetic Sunyaev Zel'dovich effect. One of the commonly used statistics is the mean radial pairwise velocity. Here, we consider the three-point mean relative velocity, i.e. the mean relative velocities between pairs in a triplet. Using halo catalogs from the Quijote suite of N-body simulations, we first showcase how the analytical prediction for the mean relative velocities between pairs in a triplet achieve better than 4-5% accuracy using standard perturbation theory at leading order for triangular configurations with a minimum separation of $r \geq 50\ h^{-1}$Mpc. Furthermore, we present the three-point relative velocity as a novel probe of neutrino mass estimation. We explore the full cosmological information content of the halo mean pairwise velocities, and the mean relative velocities between halo pairs in a triplet. We undertake this through the Fisher-matrix formalism using 22,000 simulations from the Quijote suite, and considering all triangular configurations with a minimum and a maximum separation of $20\ h^{-1}$Mpc and $120\ h^{-1}$Mpc, respectively. We find that the mean relative velocities in a triplet allows a 1$\sigma$ neutrino mass ($M_ u$) constraint of 0.065 eV, that is roughly 13 times better than the mean pairwise velocity constraint (0.877 eV). This information gain is not limited only to neutrino mass, but extends to other cosmological parameters: $\Omega_{\mathrm{m}}$, $\Omega_{\mathrm{b}}$, $h$, $n_{\mathrm{s}}$ and $\sigma_{8}$ achieving a gain of 8.9, 11.8, 15.5, 20.9 and 10.9 times respectively. These results illustrate the possibility of exploiting the mean three-point relative velocities for constraining the cosmological parameters accurately from future cosmic microwave background experiments and peculiar velocity surveys.

研究动机与目标

• 量化三元组中晕对之间三点平均相对速度的宇宙学信息含量。
• 评估标准微扰理论对这一三点统计量的解析预测精度。
• 评估三元组相对速度对关键宇宙学参数（尤其是中微子质量）的约束能力。
• 将三点统计量与传统的两点平均成对速度的信息增益进行比较。
• 确立该统计量作为未来CMB与特殊速度巡天中可行宇宙学观测量的可行性。

提出的方法

• 利用Quijote套件中的22,000组N体模拟，测量三角形构型中晕对之间的平均相对速度。
• 应用Fisher矩阵形式化方法，通过模拟中直接测量的导数与协方差矩阵计算宇宙学参数约束。
• 定义三角形构型的最小边长为20 h⁻¹Mpc，最大为120 h⁻¹Mpc，共1,168种唯一构型。
• 计算Rh₁₂ + Rh₂₃作为组合三点统计量，表示三角形两边平均相对速度之和。
• 引入与尺度无关、与质量相关的偏置模型，以考虑速度统计量中的晕偏置效应。
• 使用15,000组参考宇宙学的实现来估计协方差矩阵，确保误差估计的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准微扰理论的解析预测在多大程度上能准确再现晕星表中三点平均相对速度？
• RQ2 与两点平均成对速度相比，三元组中晕对之间三点平均相对速度的宇宙学信息含量如何？
• RQ3 三点速度统计量如何提升对中微子质量及其他宇宙学参数的约束？
• RQ4 该三元组速度统计量对宇宙学参数（尤其是中微子质量增加时）的形状依赖性如何？
• RQ5 该三元组相对速度能否作为未来动力学太阳-泽尔多维奇或特殊速度巡天中的可行宇宙学观测量？

主要发现

• 在标准微扰理论的一阶近似下，当r ≥ 50 h⁻¹Mpc时，三点平均相对速度的解析预测精度优于4–5%。
• 三元组中成对的三点平均相对速度将中微子质量之和的1σ约束提升至0.0655 eV，相比成对速度的0.877 eV，信息增益达13.4倍。
• 信息增益也扩展至其他宇宙学参数：Ωₘ为8.9倍，Ω_b为11.8倍，h为15.5倍，n_s为20.9倍，σ₈为10.9倍。
• 随着中微子质量的增加，Rh₁₂ + Rh₂₃的形状依赖性对宇宙学参数变得更加显著，从而增强其敏感性。
• 定量比较表明，三点速度统计量的宇宙学约束能力与晕三阶谱（halo bispectrum）相当。
• 通过使用相同的分箱宽度（5 h⁻¹Mpc），该方法在与成对速度比较时保持了公平性，最大限度减少了分箱导致的信息损失。