[论文解读] Neutrino mass constraint with SDSS LRG power spectrum and perturbation theory

Shun Saito, Masahiro Takada+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究将SDSS LRG功率谱数据（截至k=0.1 h/Mpc）与微扰理论相结合，在平坦CDM模型中约束中微子质量，考虑了非线性聚集和尺度依赖性偏置。通过保守选择尺度以最小化非线性系统误差，将总中微子质量的上限提升至m_nu,tot < 0.81 eV（95%置信水平），相比仅使用WMAP5的结果提高了1.85倍。

ABSTRACT

We compare the model power spectrum, computed based on perturbation theory (PT) with the power spectrum of luminous red galaxies (LRG) measured from the SDSSDR7 catalog, assuming a flat, CDM-dominated cosmology. The model includes the effects of massive neutrinos, nonlinear matter clustering and nonlinear, scale-dependent galaxy bias in a self-consistent manner. We first test the accuracy of PT-model by comparing the model predictions with the halo power spectrum in real- and redshift-space measured from simulations without massive neutrinos. We show that the PT-model with bias parameters being properly adjusted can fairly well reproduce the simulation results. As a result the best-fit parameters obtained from the hypothetical parameter fitting recover, within statistical uncertainties, the input cosmological parameters in simulations, including an upper bound on neutrino mass, if the power spectrum information up to k~0.15h/Mpc is used. However, for the redshift-space power spectrum, the best-fit cosmological parameters show a sizable bias from the input values if using the information up to k~0.2h/Mpc, probably due to nonlinear redshift distortion effect. Given these tests, we decided, as a conservative choice, to use the LRG power spectrum up to k=0.1h/Mpc in order to minimize possible unknown nonlinearity effects. In combination with the recent results from Wilkinson Microwave Background Anisotropy Probe (WMAP), we derive a robust upper-bound on the sum of neutrino masses, given as m_nu,tot < 0.81eV (95% C.L.), marginalized over other parameters including nonlinear bias parameters and dark energy equation of state parameter. The neutrino mass limit is improved by a factor of 1.85 compared to the limit from the WMAP5 alone, m_nu,tot < 1.5eV.

研究动机与目标

• 利用SDSS LRG星表的大尺度结构数据，推导出中微子质量之和的稳健上限。
• 评估微扰理论在存在大质量中微子的情况下，对非线性物质聚集和星系偏置建模的准确性。
• 通过选择保守的k-max尺度0.1 h/Mpc，最小化非线性红移空间畸变带来的系统性偏差。
• 将LRG功率谱数据与WMAP结果结合，以收紧对中微子质量和宇宙学参数的约束。
• 通过对非线性偏置和暗能量状态方程进行边缘化处理，确保中微子质量上限的稳健性。

提出的方法

• 利用标准微扰理论（PT）构建模型功率谱，其中包含大质量中微子和非线性物质聚集的影响。
• 利用不含大质量中微子的N体模拟中的晕体功率谱校准模型，以验证其在真实空间和红移空间中的准确性。
• 调整PT模型中的偏置参数，使其与模拟结果一致，确保与观测到的星系聚集行为相符。
• 将校准后的PT模型应用于来自DR7星表的SDSS LRG功率谱，将分析范围限制在k ≤ 0.1 h/Mpc，以减少非线性系统误差。
• 将LRG功率谱数据与WMAP七年宇宙微波背景各向异性数据结合，以约束宇宙学参数。
• 对中微子质量、非线性偏置和暗能量状态方程进行边缘化似然分析，以获得稳健的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在大质量中微子的情况下，经过适当偏置校准的微扰理论能否准确模拟明亮红巨星的非线性聚集？
• RQ2 当在功率谱中使用更高k模态时，非线性红移空间畸变在多大程度上会偏差宇宙学参数的恢复？
• RQ3 通过结合SDSS LRG数据与WMAP结果，可实现的最紧致且稳健的总中微子质量上限是多少？
• RQ4 k-max尺度的选择如何影响中微子质量约束的精度与可靠性？
• RQ5 对非线性偏置和暗能量状态方程进行边缘化处理是否会显著改变中微子质量的上限？

主要发现

• 经过校准偏置参数的微扰理论模型，能准确再现模拟中晕体在真实空间和红移空间中的功率谱。
• 当使用k ≤ 0.1 h/Mpc时，模型拟合得到的宇宙学参数在统计误差范围内能准确恢复模拟中的输入值。
• 若对红移空间功率谱使用k ≤ 0.2 h/Mpc，则恢复的参数出现显著偏差，可能源于未建模的非线性红移空间畸变。
• 选择k = 0.1 h/Mpc作为保守截断尺度，可最小化未知的非线性效应，确保宇宙学约束的稳健性。
• SDSS LRG与WMAP数据的联合分析得出，总中微子质量的95%可信上限为m_nu,tot < 0.81 eV。
• 该上限相比仅使用WMAP5的约束（m_nu,tot < 1.5 eV）提高了1.85倍，证明了大尺度结构数据的显著增益。