[论文解读] Non-linear CMB lensing with neutrinos and baryons: FLAMINGO simulations vs. fast approximations

Amol Upadhye, Juliana Kwan+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

Dark Matter and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文提出了一种快速、精确计算非线性宇宙微波背景（CMB）弱引力透镜功率谱的方法，结合了时间重整化群微扰理论与宇宙学模拟代理模型。该方法在多极矩 L=3000 以内达到 1% 的精度，并引入了 SP(k)，一种新的用于描述重子反馈抑制效应的拟合函数，经 FLAMINGO 流体动力学模拟验证，精度达 4%。

ABSTRACT

Weak lensing of the cosmic microwave background is rapidly emerging as a powerful probe of neutrinos, dark energy, and new physics. We present a fast computation of the non-linear CMB lensing power spectrum which combines non-linear perturbation theory at early times with power spectrum emulation using cosmological simulations at late times. Comparing our calculation with lightcones from the FLAMINGO 5.6 Gpc cube dark-matter-only simulation, we confirm its accuracy to 1% (2%) up to multipoles L = 3000 (L = 5000) for a nuLambdaCDM cosmology consistent with current data. Clustering suppression due to small-scale baryonic phenomena such as feedback from active galactic nuclei can reduce the lensing power by of order 10%. To our perturbation theory and emulator-based calculation we add SP(k), a new fitting function for this suppression, and confirm its accuracy compared to the FLAMINGO hydrodynamic simulations to 4% at L = 5000, with similar accuracy for massive neutrino models. We further demonstrate that scale-dependent suppression due to neutrinos and baryons approximately factorize, implying that a careful treatment of baryonic feedback can limit biasing neutrino mass constraints.

研究动机与目标

• 开发一种快速、精确计算包含大质量中微子与重子物理效应的非线性 CMB 弱引力透镜功率谱的方法。
• 量化由于小尺度重子反馈（如活动星系核反馈）导致的 CMB 弱引力透镜功率抑制效应。
• 在多种宇宙学参数下，通过与高保真度 FLAMINGO 流体动力学模拟对比，验证快速近似方法的准确性。
• 提出并校准 SP(k)，一种适用于无质量与大质量中微子模型的、用于描述尺度依赖性抑制效应的新拟合函数。
• 证明中微子与重子诱导的抑制效应在数学上可近似分解，从而改善中微子质量约束中相关参数的退化建模。

提出的方法

• 在早期使用时间重整化群（Time-RG）微扰理论，晚期则结合宇宙学模拟的功率谱代理模型。
• 利用 Euclid Emulator 2 与 Mira-Titan IV 代理模型，对多种宇宙学参数下的非线性物质功率谱进行建模。
• 采用 hyphi 代码（公开可用的 CMB 弱引力透镜功率谱计算器），通过可配置的数值容差实现精度与速度的平衡，以计算 $ C_L^{ heta heta} $。
• 提出 SP(k) 拟合函数，用于建模由重子反馈引起的弱引力透镜功率抑制，其参数基于 FLAMINGO 流体动力学模拟校准。
• 在 hyphi 中应用红移差分技术，以分离特定红移区间内的弱引力透镜贡献，从而实现高效的分层分析。
• 通过将 hyphi 输出与 FLAMINGO $5.6$ Gpc 暗物质-only 模拟的光锥数据及 PlanckNu0p24Fix_DMO 模拟结果对比，验证了结果的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合微扰理论与模拟代理模型的快速混合方法，能否以足够精度计算非线性 CMB 弱引力透镜功率谱？
• RQ2 重子反馈对小尺度 CMB 弱引力透镜功率的抑制程度如何？是否可由单一拟合函数准确描述？
• RQ3 大质量中微子与重子反馈对 CMB 弱引力透镜功率谱抑制效应的相互作用如何？二者是否可近似实现因子分解？
• RQ4 在高多极矩（L ≈ 5000）下，SP(k) 拟合函数与完整流体动力学模拟相比的精度如何？
• RQ5 hyphi 代码能否在保持计算效率的同时，实现对弱引力透镜功率谱预测的亚百分之一精度？

主要发现

• hyphi 代码在 $ L = 3000 $ 以内实现 1% 的精度，在 $ L = 5000 $ 以内实现 2% 的精度，与 FLAMINGO 暗物质-only 模拟结果一致。
• 重子反馈在小尺度上使 CMB 弱引力透镜功率降低约 10%，主要通过抑制星系晕内物质聚集所致。
• SP(k) 拟合函数在 $ L = 5000 $ 时对重子反馈抑制效应的再现精度达 4%，在大质量中微子模型中表现相似。
• 中微子诱导与重子诱导的弱引力透镜功率谱抑制效应可近似因子分解，从而实现对二者影响的独立建模。
• hyphi 代码在每项 $ C_L^{ heta heta} $ 计算中实现高精度（<1%），计算时间低于一秒钟，运行时间仅比最快配置慢 30% 以内。
• hyphi 中的红移差分技术可实现高效的分层弱引力透镜功率谱估计，计算开销极低。