[论文解读] Redshift-space distortions of galaxies, clusters and AGN: testing how the accuracy of growth rate measurements depends on scales and sample selections

F. Marulli, A. Veropalumbo+3 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 89被引用 6

一句话总结

本文研究了在星系、星系团和活动星系核中，利用红移空间扭曲（RSD）测量增长率时，样本选择与尺度范围对精度的影响。基于Magneticum流体动力学模拟，研究发现通过精心选择分析的尺度范围，可将fσ₈中的系统误差最小化，当非线性效应被正确建模时，可实现近乎无偏的约束。

ABSTRACT

Redshift-space clustering anisotropies caused by cosmic peculiar velocities provide a powerful probe to test the gravity theory on large scales. However, to extract unbiased physical constraints, the clustering pattern has to be modelled accurately, taking into account the effects of non-linear dynamics at small scales, and properly describing the link between the selected cosmic tracers and the underlying dark matter field. We use a large hydrodynamic simulation to investigate how the systematic error on the linear growth rate, $f$, caused by model uncertainties, depends on sample selections and comoving scales. Specifically, we measure the redshift-space two-point correlation function of mock samples of galaxies, galaxy clusters and Active Galactic Nuclei, extracted from the Magneticum simulation, in the redshift range 0.2 < z < 2, and adopting different sample selections. We estimate $fσ_8$ by modelling both the monopole and the full two-dimensional anisotropic clustering, using the dispersion model. We find that the systematic error on $fσ_8$ depends significantly on the range of scales considered for the fit. If the latter is kept fixed, the error depends on both redshift and sample selection, due to the scale-dependent impact of non-linearities, if not properly modelled. On the other hand, we show that it is possible to get unbiased constraints on $fσ_8$ provided that the analysis is restricted to a proper range of scales, that depends non trivially on the properties of the sample. This can have a strong impact on multiple tracers analyses, and when combining catalogues selected at different redshifts.

研究动机与目标

• 评估在红移空间聚类分析中，线性增长率fσ₈的系统误差如何依赖于共动尺度的选择与样本选择。
• 评估在模拟星系、星系团和活动星系核样本中建模聚类各向异性时，非线性动力学对RSD测量的影响。
• 确定是否可通过将分析限制在某一精心选择的尺度范围内，实现与示踪体类型无关的fσ₈无偏约束。
• 通过量化RSD建模中与尺度和样本相关的偏差，为多示踪体分析和跨红移星表组合提供指导。
• 通过识别考虑非线性效应和示踪体特异性偏差的最优建模策略，提高宇宙学中引力检验的可靠性。

提出的方法

• 利用Magneticum流体动力学模拟，在0.2 ≤ z ≤ 2范围内，模拟星系、星系团和活动星系核的模拟样本在红移空间的两两点相关函数（2PCF）。
• 基于恒星质量、晕质量以及活动星系核的光度或爱丁顿比率，采用不同的样本选择策略，以探索与选择相关的系统误差。
• 使用弥散模型对各向异性聚类进行建模，通过同时拟合单极矩和完整的二维RSD模式，提取fσ₈。
• 在拟合中改变尺度范围（从10到100 h⁻¹ Mpc），以量化尺度依赖性对fσ₈系统误差的影响。
• 将恢复的fσ₈值与模拟中的真实值进行比较，评估不同示踪体和红移下偏差与不确定性的大小。
• 分析最优尺度范围对示踪体属性（如质量与光度）的非平凡依赖关系，以识别稳健的拟合窗口。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移空间聚类分析中，fσ₈测量的系统误差如何随尺度范围的选择而变化？
• RQ2 基于质量、光度或爱丁顿比率的样本选择，在多大程度上影响RSD估算的fσ₈精度？
• RQ3 是否可通过将分析限制在某一特定尺度范围内实现fσ₈的无偏约束？该最优尺度范围如何依赖于示踪体类型？
• RQ4 非线性动力学如何影响RSD建模？正确建模这些效应在减少系统误差方面起到什么作用？
• RQ5 与尺度和样本相关的偏差对宇宙学巡天中多示踪体分析和跨红移星表组合有何影响？

主要发现

• fσ₈中的系统误差强烈依赖于拟合中使用的尺度范围，当未正确建模时，包含非线性尺度会导致更大的误差。
• 由于尺度依赖的非线性效应，fσ₈的系统误差在不同红移和样本选择下显著变化，尤其在低质量或低光度示踪体中更为明显。
• 通过将分析限制在精心选择的尺度范围内（通常为15–40 h⁻¹ Mpc，适用于大多数示踪体），fσ₈的系统误差可减少至接近零，从而实现无偏约束。
• 最优尺度范围对示踪体属性（如质量与光度）具有非平凡的依赖关系，质量更大或光度更高的示踪体需要更宽或偏移的拟合窗口。
• 在多示踪体分析和跨红移比较中，本研究表明，各样本间保持一致的尺度选择至关重要，以避免引入系统偏差。
• 结果表明，当应用于精心选择的尺度范围时，弥散模型即使在复杂非线性动力学存在的情况下，也能实现高度精确的fσ₈测量。