利用Lyα线丛研究重子声波震荡

标题:Fast, large volume, GPU enabled simulations for the Lyα forest: power spectrum forecasts for baryon acoustic oscillation experiments
作者:Bradley Greig, James S. Bolton, & J. Stuart B. Wyithe
论文索引:astro-ph:1105.4747

编辑供稿:侯磊(中国科学技术大学)

背景介绍

重子声波震荡(baryonic acoustic oscillations,BAO)是指重子物质由于声波传播而形成了密度涨落现象,是研究宇宙几何与暗能量性质的重要工具之一。CMB的各向异性一般认为是和复合期(z~1100)时的BAO的性质紧密相关的;而在低红移处,可以通过星系成团性的观测来研究BAO。BAO信号的特征尺度大约是150 Mpc(共动距离)。

本文则是通过另一条途径来研究BAO的:z~2-3的Lyα线丛。这个途径有两点优势:1、低红移处,宇宙曲率项和暗能量项是简并的,随着红移升高,曲率项以(1+z)^2方式增加,而暗能量的演化就小的多(如果暗能量是由宇宙学常数提供的,则暗能量密度是不变的;即使假设暗能量的物态方程是变化的,这种变化与曲率项的变化相比也小的多),因此高红移有利于去除这种简并;2、类星体数密度在z~2.2处达到峰值。

本文就是通过对Lyα线丛的半解析模型来研究BAO的性质。

Lyα线丛的半解析模型

作者们先在傅立叶空间中模拟生成暗物质线性密度场,通过对暗物质场的平滑,得到重子物质密度场和速度场。进一步,通过给出光致电离平衡的理论模型,给出中性氢的密度场,由此可以得到生成Lyα光谱。同时,他们还做了流体力学模拟,用来与半解析模型作对比。

在上述半解析模型基础上,作者们对Lyα线丛做了两种模拟:一是高分辨率模拟(40 h^(-1) Mpc大小,512^3个像素),用来和流体力学模拟的结果对比;二是低分辨率模拟(1 Gpc大小,4096^3个像素),其中又根据加和不加重子震荡成分分成两组,文中对BAO的研究就主要来自于这个模拟结果。图1给出了模拟得到的Lyα线丛的一个例子,中图是对上图做了高斯线轮廓展宽的结果,下图是加上了高斯噪音的结果。

图1:半解析模型模拟得到的Lyα线丛光谱

图2和图3给出模拟得到的流量F=exp(-τ)的概率分布图。图2中,半解析模型结果和流体力学结果符合的很好。与观测结果相比,和McDonald et al.  (2000)的结果符合的相对较好,尤其在中等F值处;而和Kim et al. (2007)的结果偏差比较大。

图2:模拟得到的流量概率分布图,给出了高分辨率模拟、流体力学模拟和低分辨率模拟的结果,以及其他文献中给出的观测结果

图3是低分辨率模拟的流量概率分布,与Desjacques et al. (2007)的结果相比,峰值位置的F略大一些,峰高也略低一些。

图3:低分辨率模拟得到的流量概率分布图,对光谱已经作了分辨率和噪音修正;同时给出了以前文献中通过SDSS DR3给出的观测结果

图4给出了模拟和观测给出的一维视线方向流量功率谱的结果。与观测结果对比,同Croft et al. (2002)的结果符合的要好一些,而同McDonald et al. (2000)的结果符合的就要差一些。

图4:模拟得到的一维视线方向流量功率谱和其他文献中的观测结果

获取BAO信号

作者们在低分辨率模拟得到的100,000条视线的光谱样本中随机选择得到模拟样本。他们用了下列近似:1、背景源的红移相同,均为z=3;2、视线是平行的;3、光谱有相同的有用路径长度(usable pathlength),即类星体静止参考系Lyα和Lyβ的距离,再考虑类星体近邻效应的影响而减去3000 km s^(-1)(关于这里的有用路径长度的含义我自己也没有搞清楚,希望了解这方面知识的同学能加以补充——编者注)。

上述Lyα线丛半解析模型中可以Lyα线丛的三维流量功率谱,通过对比加重子震荡成分与不加该成分的功率谱,我们可以得到BAO信号的一些性质。理论上有

其中等式左边是加重子震荡成分与不加该成分的功率谱之比,从右边可以看出理论上认为重子震荡成分对功率谱的影响是一个指数衰减因子和一个正弦震荡因子,其中A和kA是待定参数。通过上述模拟结果可以得到等式左边的比值(关于k的函数),并用最小χ^2拟合来得到A和kA的值。表1和表2给出了拟合结果,其中表1是只考虑蒙特卡罗散粒噪声(shot noise)误差而忽略样本方差的结果,表2是同时考虑了这两种误差的结果。其中SA=2π/kA,Number density指的是背景源的数密度。

表1:最佳拟合结果,忽略样本方差
表2:最佳拟合结果,同时考虑蒙特卡罗散粒噪声和样本方差

 

表中可以看出各种情况下SA的值大体相当,均略大于150 Mpc。表中还给出了模拟信号的相对误差。假设相对误差小于10%时我们能够获得可信的BAO信号,则上面两个表格给出了一定的背景源数密度条件和信噪比条件下是否能够获得可信的BAO信号的估计。

文中利用上述模拟结果,对类似BOSS(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey)这样的巡天项目的相对误差ΔSA作了估计,约为1.4%,感兴趣的同学可以阅读原文第6章内容。

总结

本文给出了一种通过快速、大体积、高分辨率的Lyα线丛半解析模型方法来研究BAO的方法,可以用来和观测结果进行对比研究。还值得一提的是,本文的模拟中利用了GPGPU编程技术,也就是利用GPU参与数据运算。编者对这方面内容也并不了解,有兴趣的同学可以阅读原文的附录A以及扩展阅读中的相关内容。

扩展阅读

  1. BAO综述文章
  2. 利用Lyα线丛研究BAO
  3. 利用GPU进行天文中的科学计算
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8 Replies to “利用Lyα线丛研究重子声波震荡”

  1. tz

    Chrome 11.0.696.68 MacIntosh

    “通过对暗物质场的平滑,得到重子物质密度场和速度场”是为什么啊。暗物质不比重子物质平滑么

    • Lei Hou

      Firefox 4.0 Linux

      重子物质有碰撞啊,原文中用的平滑方式是很简单的:delta_b=delta_DM/(1+k^2/k_F^2),小尺度上(大的k)重子物质涨落比暗物质小。考虑到重子物质的扩散与碰撞,这是容易理解的。我估计你想说的是星系尺度的重子物质有更细致的结构吧,文中讨论不到这么细致的尺度,高分辨率的模拟的单元都有~0.1Mpc,高于星系尺度差不多一个量级了

  2. tz

    Chrome 11.0.696.68 MacIntosh

    这样的工作最后是不是可以用来限制IGM模型而不是研究BAO… 要想研究BAO,模拟得非常靠谱才行吧,含不含重子震荡效应的模型也得非常靠谱,因为观测只能看到有重子震荡的

    • Lei Hou

      Firefox 4.0 Linux

      我个人也觉得这种模拟拿来研究BAO不如研究IGM,毕竟多了一个BAO的模型。不过本文就是处于研究BAO的目的的啦,也只能如此。

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