[论文解读] Mock catalogues of emission line galaxies based on the local mass density in dark-matter only simulations

Ken Osato, Takahiro Nishimichi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 60被引用 2

一句话总结

本文提出一种快速、基于密度的算法，通过在仅含暗物质的N体模拟中对粒子应用局部质量密度阈值，实现发射线星系（ELGs）的高效生成，从而生成模拟ELG星表。该方法重现了关键聚类特性——如大尺度偏置、环境分数及减弱的Finger-of-God效应——与流体动力学模拟结果一致，使其非常适合用于未来光谱巡天中的协方差矩阵估计与系统误差量化。

ABSTRACT

The high-precision measurement of spatial clustering of emission line galaxies (ELGs) is a primary objective for upcoming cosmological spectroscopic surveys. The source of strong emission of ELGs is nebular emission from surrounding ionized gas irradiated by massive short-lived stars in star-forming galaxies. As a result, ELGs are more likely to reside in newly-formed halos and this leads to a nonlinear relation between ELG number density and matter density fields. In order to estimate the covariance matrix of cosmological observables, it is essential to produce many independent realisations to simulate ELG distributions for large survey volumes. To this end, we present a novel and fast scheme to populate ELGs in dark-matter only $N$-body simulations based on local density field. This method enables fast production of mock ELG catalogues suitable for verifying analysis methods and quantifying observational systematics in upcoming spectroscopic surveys and can populate ELGs in moderately high-density regions even though the halo structure cannot be resolved due to low resolution. The power spectrum of simulated ELGs is consistent with results of hydrodynamical simulations up to fairly small scales ($\lesssim 1 h \, \mathrm{Mpc}^{-1}$), and the simulated ELGs are more likely to be found in filamentary structures, which is consistent with results of semi-analytic and hydrodynamical simulations. Furthermore, we address the redshift-space power spectrum of simulated ELGs. The measured multipole moments of simulated ELGs clearly exhibit a weaker Finger-of-God effect than those of matter due to infalling motions towards halo centre, rather than random virial motions inside halos.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效的算法，用于在大尺度、仅含暗物质的模拟中生成模拟ELG星表。
• 解决在不依赖昂贵流体动力学模拟的前提下，模拟宇宙学巡天中ELG聚类的挑战。
• 生成大量独立的实现样本，以实现未来光谱巡天中协方差矩阵的精确估计。
• 确保模拟星表能够重现真实的ELG聚类特性，包括环境依赖性与红移空间畸变。
• 在无需晕结构查找算法或高分辨率晕数据的前提下，实现系统误差测试与巡测流程校准。

提出的方法

• 基于粒子的局部质量密度（使用光滑粒子流体动力学（SPH）核估计）将ELGs直接分配至暗物质粒子上。
• 应用两个密度阈值——最小值与最大值：最小值用于排除低密度区域，最大值用于避免大质量晕的中心区域。
• 该方法通过直接在粒子上操作避免了晕结构查找，因此独立于晕星表，且在不同模拟类型中更具鲁棒性。
• 密度阈值通过匹配观测到的ELG偏置与环境分数进行调优，确保与流体动力学模拟的一致性。
• 通过测量红移空间功率谱及其多极矩，评估红移空间畸变，特别是Finger-of-God效应。
• 计算真实空间物质密度与红移空间ELG数密度之间的交叉功率谱，以研究不同环境中的速度-密度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种快速、基于粒子的方法是否能在无流体动力学模拟的前提下，准确重现ELGs在大尺度结构巡天中的聚类特性？
• RQ2 局部密度阈值方法在多大程度上能重现流体动力学模拟中观测到的ELG环境分数（节点、丝状结构、片状结构、空洞）？
• RQ3 与物质或LRGs相比，模拟ELG样本的Finger-of-God效应减弱程度如何，是否反映了其位于晕外区的分布特征？
• RQ4 能否利用红移空间中物质密度与ELG数密度之间的交叉功率谱提取生长率，且避免与线性偏置的混淆？
• RQ5 ELG在红移空间功率谱的多极矩在不同宇宙环境（如丝状结构与空洞）中如何差异？这对其动力学状态有何启示？

主要发现

• 模拟ELG星表重现了流体动力学模拟中观测到的ELG环境分数：仅20%位于节点，多数位于丝状结构与片状结构中，极少位于空洞中。
• 当密度阈值调优得当时，模拟ELG的大尺度偏置与真实ELG的预期一致。
• 模拟ELG的功率谱在≤1 h Mpc⁻¹的尺度内与流体动力学模拟结果一致，表明其小尺度聚类保真度良好。
• 红移空间功率谱显示的Finger-of-God效应弱于物质分布，与ELGs位于晕外区、随机速度较低的特性一致。
• 物质密度与ELG数密度在红移空间的交叉功率谱的四极矩显示出清晰的、与尺度相关的红移空间畸变信号，其强度与生长率成正比，且独立于线性偏置。
• 环境依赖的红移空间畸变模式表明，丝状结构与片状结构中的ELGs正在经历引力坍缩，与线性理论预测不同，表明其存在非线性动力学行为。