[论文解读] The MillenniumTNG Project: The hydrodynamical full physics simulation and a first look at its galaxy clusters

Rüdiger Pakmor, Volker Springel+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 10

一句话总结

MillenniumTNG项目发布了MTNG740，这是一次大规模、高分辨率的宇宙结构形成流体动力学模拟，覆盖(740 Mpc)³的体积，具有3.1×10⁷ M☉的重子质量分辨率。该模拟成功再现了观测到的星系团关系、径向分布和康普顿-y信号，与Planck和SDSS-8 RedMaPPer数据具有良好的一致性——尽管基于SZ的星系团质量估计值需向下修正0.2 dex才能与模拟结果匹配。

ABSTRACT

Cosmological simulations are an important theoretical pillar for understanding nonlinear structure formation in our Universe and for relating it to observations on large scales. In several papers, we introduce our MillenniumTNG (MTNG) project that provides a comprehensive set of high-resolution, large volume simulations of cosmic structure formation aiming to better understand physical processes on large scales and to help interpreting upcoming large-scale galaxy surveys. We here focus on the full physics box MTNG740 that computes a volume of $(740\,\mathrm{Mpc})^3$ with a baryonic mass resolution of $3.1 imes~10^7\,\mathrm{M_\odot}$ using extsc{arepo} with $80.6$~billion cells and the IllustrisTNG galaxy formation model. We verify that the galaxy properties produced by MTNG740 are consistent with the TNG simulations, including more recent observations. We focus on galaxy clusters and analyse cluster scaling relations and radial profiles. We show that both are broadly consistent with various observational constraints. We demonstrate that the SZ-signal on a deep lightcone is consistent with Planck limits. Finally, we compare MTNG740 clusters with galaxy clusters found in Planck and the SDSS-8 RedMaPPer richness catalogue in observational space, finding very good agreement as well. However, {\it simultaneously} matching cluster masses, richness, and Compton-$y$ requires us to assume that the SZ mass estimates for Planck clusters are underestimated by $0.2$~dex on average. Thanks to its unprecedented volume for a high-resolution hydrodynamical calculation, the MTNG740 simulation offers rich possibilities to study baryons in galaxies, galaxy clusters, and in large scale structure, and in particular their impact on upcoming large cosmological surveys.

研究动机与目标

• 创建一个大体积、高分辨率的宇宙结构形成流体动力学模拟，以捕捉宇宙尺度上的重子物理过程。
• 实现模拟星系团与Planck及SDSS-8 RedMaPPer观测数据的直接比较，避免依赖不确定的质量估计。
• 测试IllustrisTNG星系形成模型在远超以往可能的模拟体积下的鲁棒性。
• 通过比较模拟与观测的星系团可观测量（如丰度和康普顿-y）来量化观测中星系团质量估计的偏差。
• 为未来大型宇宙学巡天（如DESI和Euclid）提供公开可获取的、高保真的模拟基础，以支持其解释。

提出的方法

• 使用arepo代码模拟(740 Mpc)³的体积，包含806亿个网格单元，并采用完整的IllustrisTNG星系形成模型。
• 采用自适应网格加密和光滑粒子流体动力学方法，以高分辨率解析星系形成与反馈过程。
• 生成深度光锥直至z=5，以计算康普顿-y参数，并研究宇宙时空中太阳亚-泽尔多维奇效应的演化。
• 使用一致的孔径定义（球形和圆柱形）测量星系团可观测量——丰度、康普顿-y和径向分布，以匹配观测技术。
• 应用匹配滤波技术，从大孔径测量中分离出星系团的本征信号与背景康普顿-y贡献。
• 通过丰度和康普顿-y作为联合可观测量，将模拟星系团与Planck及SDSS-8 RedMaPPer星系团在观测空间中直接比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 MTNG740模拟中的星系团在多大程度上再现了X-COP巡天观测到的热力学和动力学量的标度关系与径向分布？
• RQ2 模拟的康普顿-y信号在多大程度上与Planck对宇宙微波背景太阳亚-泽尔多维奇效应的约束一致？
• RQ3 模拟的星系团丰度和康普顿-y与Planck和SDSS-8 RedMaPPer星表中测量的值相比如何？
• RQ4 Planck中基于SZ的质量估计与MTNG740模拟真实质量之间差异的根源是什么？
• RQ5 该模拟能否用于校正未来宇宙学巡天中星系团质量估计的观测偏差？

主要发现

• MTNG740模拟产生的星系团在标度关系和径向分布方面与X-COP巡天观测结果总体一致，尤其在非冷却核心星系团中表现良好。
• 在深度光锥上，模拟的康普顿-y信号与Planck约束一致，验证了该模型在大尺度上对热重子物理的处理是合理的。
• 对于大孔径（5 R₅₀₀），康普顿-y背景对测量信号有显著贡献，因此必须使用匹配滤波技术以无偏方式提取星系团信号。
• 当在观测空间中直接比较时，MTNG740星系团在丰度和康普顿-y方面与Planck和SDSS-8 RedMaPPer星系团表现良好一致性，但前提是需对Planck的SZ基M₅₀₀质量估计值进行0.2 dex的向下修正。
• 该质量估计差异与近期其他SZ巡天中通过弱引力透镜和丰度校正所发现的结果一致，表明Planck中SZ质量存在系统性低估。
• 模拟揭示当前TNG反馈模型在重现冷却核心星系团方面存在困难，提示在大质量系统中需要引入具有大尺度喷流的增强型AGN反馈模型。