[论文解读] The MillenniumTNG Project: High-precision predictions for matter clustering and halo statistics

César Hernández‐Aguayo, Volker Springel+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

MillenniumTNG（MTNG）项目呈现了一套大体积、高分辨率的流体动力学模拟套件，结合了IllustrisTNG星系形成模型与Millennium模拟的体积，实现了物质聚类和晕统计的高精度预测。其在功率谱和晕质量函数方面与宇宙学模拟器的对比达到了亚百分之一级别的精度，同时表明重子物理在红移空间中可导致晕聚类高达50%的变化，验证了其在下一代宇宙学巡天中的适用性。

ABSTRACT

Cosmological inference with large galaxy surveys requires theoretical models that combine precise predictions for large-scale structure with robust and flexible galaxy formation modelling throughout a sufficiently large cosmic volume. Here, we introduce the MillenniumTNG (MTNG) project which combines the hydrodynamical galaxy formation model of IllustrisTNG with the large volume of the Millennium simulation. Our largest hydrodynamic simulation, covering (500 Mpc/h)^3 = (740 Mpc)^3, is complemented by a suite of dark-matter-only simulations with up to 4320^3 dark matter particles (a mass resolution of 1.32 x 10^8 Msun/h) using the fixed-and-paired technique to reduce large-scale cosmic variance. The hydro simulation adds 4320^3 gas cells, achieving a baryonic mass resolution of 2 x 10^7 Msun/h. High time-resolution merger trees and direct lightcone outputs facilitate the construction of a new generation of semi-analytic galaxy formation models that can be calibrated against both the hydro simulation and observation, and then applied to even larger volumes - MTNG includes a flagship simulation with 1.1 trillion dark matter particles and massive neutrinos in a volume of (3000 Mpc)^3. In this introductory analysis we carry out convergence tests on basic measures of non-linear clustering such as the matter power spectrum, the halo mass function and halo clustering, and we compare simulation predictions to those from current cosmological emulators. We also use our simulations to study matter and halo statistics, such as halo bias and clustering at the baryonic acoustic oscillation scale. Finally we measure the impact of baryonic physics on the matter and halo distributions.

研究动机与目标

• 为大规模结构提供高精度的理论预测，以匹配Euclid、Roman、DESI和Rubin等即将开展的星系巡天的统计能力。
• 通过固定-配对技术减少大体积模拟中的宇宙学方差，即使在体积有限的情况下也能实现精确的宇宙学推断。
• 验证重子物理对物质和晕聚类的影响，特别是在重子声波振荡（BAO）相关尺度上的影响。
• 通过基于流体动力学数据校准的半分析模型，建立构建真实模拟星系星表的稳健模拟基础。
• 通过结合全物理模拟与高效模拟技术，实现在多种宇宙学模型下的快速、精确宇宙学推断。

提出的方法

• 将IllustrisTNG流体动力学星系形成模型与大体积的Millennium模拟相结合，覆盖(500 h⁻¹ Mpc)³ ≈ (740 Mpc)³的体积。
• 采用固定-配对N体技术减少大尺度宇宙学方差，使单对模拟即可实现高精度的统计预测。
• 对关键非线性聚类量（物质功率谱、晕质量函数、晕聚类）进行收敛性测试。
• 使用高时间分辨率的并合树和直接的光锥输出，支持半分析星系形成模型的开发。
• 与宇宙学模拟器（CosmicEmu、Bacco、EuclidEmulator2、DarkQuest）进行校准，并与TNG100/TNG300的结果进行对比验证。
• 通过真实空间和红移空间统计，测量重子效应在各尺度（包括BAO尺度）对物质和晕聚类的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 固定-配对模拟技术在多大程度上能达到与100个独立实现的平均值相当的统计精度？
• RQ2 MTNG模拟在多大程度上能精确再现物质功率谱和晕质量函数，与宇宙学模拟器相比如何？
• RQ3 重子物理对重子声波振荡尺度上暗物质晕聚类的影响是什么？
• RQ4 在红移空间中，暗物质-only模拟与全物理模拟在晕偏置和聚类上存在多大差异？
• RQ5 MTNG结果在晕丰度和聚类方面与以往TNG模拟的符合程度如何？

主要发现

• 固定-配对技术实现了与100个独立实现平均值相当的统计精度，显著提升了有限体积模拟的实用性。
• MTNG模拟在k < 5 h Mpc⁻¹的尺度范围内，与宇宙学模拟器（CosmicEmu、Bacco等）在物质功率谱和晕质量函数上的差异小于百分之一。
• 重子物理使总物质功率谱在k < 5 h Mpc⁻¹范围内抑制约~1%，与Bacco模拟器结果高度一致。
• 重子显著改变了晕的聚类：对M₂₀₀c选择的晕在红移空间中抑制高达~20%，对Vmax选择的晕抑制高达~50%。
• MTNG740模拟具有足够的体积和统计能力，可通过膨胀参数α提取BAO特征，证实其适用于宇宙学参数估计。
• MTNG740中的晕丰度和聚类与TNG100和TNG300结果高度一致，验证了该模拟套件在不同分辨率和体积下的自洽性。