[论文解读] The FLAMINGO project: the coupling between baryonic feedback and cosmology in light of the $S_8$ tension

Willem Elbers, Carlos S. Frenk+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了在 $S_8$ 矛盾背景下，重子反馈与宇宙学之间的耦合关系，基于 FLAMINGO 流体动力学模拟。结果表明，重子反馈强烈受宇宙学参数调制——尤其在具有大质量中微子或衰变暗物质的模型中——导致非可分解的、增强的物质功率谱抑制，其程度超过各项效应之和，尤其在寿命较短的衰变暗物质情况下更为显著。

ABSTRACT

Large-scale structure surveys have reported measurements of the density of matter, $Ω_\mathrm{m}$, and the amplitude of clustering, $σ_8$, that are in tension with the values inferred from observations of the cosmic microwave background. While this may be a sign of new physics that slows the growth of structure at late times, strong astrophysical feedback processes could also be responsible. In this work, we argue that astrophysical processes are not independent of cosmology and that their coupling naturally leads to stronger baryonic feedback in cosmological models with suppressed structure formation or when combined with a mechanism that removes dark matter from halos. We illustrate this with two well-motivated extensions of the Standard Model known to suppress structure formation: massive neutrinos and decaying dark matter. Our results, based on the FLAMINGO suite of hydrodynamical simulations, show that the combined effect of baryonic and non-baryonic suppression mechanisms is greater than the sum of its parts, particularly for decaying dark matter. We also show that the dependence of baryonic feedback on cosmology can be modelled as a function of the ratio $f_\mathrm{b}/c^2_\mathrm{v}\sim f_\mathrm{b}/(Ω_\mathrm{m}σ_8)^{1/4}$ of the universal baryon fraction, $f_\mathrm{b}$, to a velocity-based definition of halo concentration, $c^2_\mathrm{v}$, giving an accurate fitting formula for the baryonic suppression of the matter power spectrum. Although the combination of baryonic and non-baryonic suppression mechanisms can resolve the tension, the models with neutrinos and decaying dark matter are challenged by constraints on the expansion history.

研究动机与目标

• 研究重子反馈与宇宙学抑制机制（如大质量中微子、衰变暗物质）在大尺度结构上的影响是否可分解。
• 评估重子与非重子抑制机制的联合作用是否能缓解来自 CMB 与弱引力透镜观测的 $S_8$ 矛盾。
• 量化由宇宙学依赖反馈引起的非可分解修正及其对宇宙学推断的影响。
• 基于比值 $f_{\mathrm{b}}/c^{2}_{\mathrm{v}} \sim f_{\mathrm{b}}/(Ω_{\mathrm{m}}\sigma_{8})^{1/4}$，推导重子抑制的拟合公式，以捕捉宇宙学依赖的反馈强度。
• 评估在当前宇宙学分析中，若忽略宇宙学依赖性而对反馈参数进行边缘化处理，其对结果的影响。

提出的方法

• 利用 FLAMINGO 宇宙学流体动力学模拟套件，模拟 $\Lambda$CDM 模型及其扩展（包括大质量中微子，$\sum m_\nu = 0.24$–$0.48$ eV，以及衰变暗物质，$\Gamma = 24$ km/s/Mpc）。
• 在每个模拟中计算物质功率谱，以量化重子反馈与非重子机制引起的抑制效应。
• 通过无量纲比值 $f_{\mathrm{b}}/c^{2}_{\mathrm{v}} \sim f_{\mathrm{b}}/(Ω_{\mathrm{m}}\sigma_{8})^{1/4}$ 定义宇宙学依赖的反馈强度，其中 $f_{\mathrm{b}}$ 为宇宙重子分数，$c^{2}_{\mathrm{v}}$ 为基于速度的晕浓度。
• 将物质功率谱的重子抑制拟合为该比值的函数，推导出适用于各类宇宙学模型的稳健反馈强度拟合公式。
• 将联合机制的总抑制与各项单独抑制之和进行比较，以识别非可分解修正。
• 通过分析非可分解修正的红移与尺度依赖性，评估宇宙学参数与反馈参数之间的退化关系。

(a)

实验结果

研究问题

• RQ1 重子反馈在多大程度上与宇宙学参数耦合，特别是在结构形成受抑制的模型中？
• RQ2 重子反馈与非重子抑制（如大质量中微子或衰变暗物质）的联合效应是否能缓解 $S_8$ 矛盾？
• RQ3 由宇宙学依赖反馈引起的非可分解修正如何影响当前与未来巡天中的宇宙学推断？
• RQ4 重子抑制的函数形式如何随宇宙学参数变化？是否能通过单一拟合公式准确描述？
• RQ5 在忽略宇宙学依赖性的情况下对反馈参数进行边缘化，会如何导致宇宙学约束的偏差，尤其是在非标准模型中？

主要发现

• 重子与非重子抑制机制的联合效应超过其单独效应之和，尤其在寿命为 41 Gyr（$\Gamma = 24$ km/s/Mpc）的衰变暗物质情况下，重子抑制强度超过标准模型的两倍以上。
• 对于 $\sum m_\nu = 0.48$ eV 的大质量中微子，中微子抑制与标准重子反馈的联合效应可调和 CMB 与弱引力透镜的 $S_8$ 测量结果，但该模型因 CMB 与 BAO 的几何约束而受到质疑。
• 反馈对宇宙学的依赖性在 $k > 1\,\mathrm{Mpc}^{-1}$ 波数尺度与红移 $z < 1$ 时最强，表明反馈强度在不同宇宙学背景下显著变化。
• 基于 $f_{\mathrm{b}}/c^{2}_{\mathrm{v}} \sim f_{\mathrm{b}}/(Ω_{\mathrm{m}}\sigma_{8})^{1/4}$ 的重子抑制拟合公式，在 FLAMINGO 模拟中能准确捕捉宇宙学依赖的反馈强度。
• 未考虑非可分解修正的反馈模型（如 Mead 等，2015 年模型）同时编码了宇宙学与天体物理信息，导致在对反馈参数边缘化时损失宇宙学信息。
• 本研究建议，未来宇宙学推断必须采用显式依赖宇宙学的反馈模型，或使用同时变化天体物理与宇宙学参数的模拟。

(a)