How well is the local Large Scale Structure of the Universe known? CosmicFlows vs. Biteau's Galaxy Catalog with Cloning

Resumen Técnico: ¿Qué tan bien se conoce la Estructura a Gran Escala local del Universo? CosmicFlows frente al Catálogo de Galaxias de Biteau con Clonación

Planteamiento del Problema
El conocimiento preciso de la distribución de la densidad de materia local es crítico para diversas aplicaciones cosmológicas, incluyendo el modelado de fuentes de rayos cósmicos de energía ultraalta (UHECR) y la predicción de señales difusas de aniquilación de Materia Oscura. Existen dos metodologías primarias para reconstruir esta Estructura a Gran Escala (LSS) local: (1) inferir campos de densidad a partir de las velocidades peculiares de las galaxias observadas y posiciones independientes de la red desplazada (el enfoque de CosmicFlows), y (2) construir catálogos de galaxias con estimaciones de distancia y rellenar las regiones no observadas (el enfoque de Biteau). Si bien trabajos recientes han utilizado estos modelos para explicar las anisotropías del dipolo de los UHECR, ha faltado una comparación cuantitativa de su fidelidad, particularmente respecto a la "Zona de Evitación" (ZoA) oscurecida por la Vía Láctea y la distribución radial de la masa. Este artículo aborda las discrepancias entre estos modelos para determinar cuál proporciona una base más fiable para la distribución de masa local.

Metodología
Los autores realizan una comparación cuantitativa entre tres modelos de densidad:

1. CosmicFlows2 (CF2): Un campo de densidad cuasi-lineal derivado de ~8,000 galaxias utilizando el Filtro de Wiener y realizaciones restringidas (Hoffman et al. 2018).
2. CosmicFlows4 (CF4): Una reconstrucción de vanguardia utilizando el algoritmo HAMLET y muestreo de Monte Carlo Hamiltoniano sobre una muestra de 55,877 galaxias (Valade 2026, en preparación).
3. Catálogo de Biteau (B21): Un catálogo semiempírico de ~489,000 galaxias dentro de 350 Mpc (Biteau 2021). B21 asigna masas basadas en funciones de luminosidad y emplea una técnica de "clonación" para rellenar la ZoA ($|b| < 20^\circ$ para $|\ell| < 30^\circ$) mediante el reflejo de galaxias a través del límite de la ZoA.

Para permitir la comparación, los autores voxelizan el espacio 3D en capas esféricas ($\Delta d \approx 1.43$ Mpc) y píxeles Healpix. Aplican suavizado al catálogo de Biteau para igualar la resolución de los campos de CosmicFlows, utilizando perfiles gaussianos para el suavizado radial ($R_s = 5$ y $10$ Mpc) y esquemas específicos de suavizado angular. Para el volumen local ($<10$ Mpc), se utiliza un suavizado de píxeles anidados en 2D para evitar la redistribución de masa no física hacia distancias negativas. La comparación implica analizar sobre-densidades medias como función de la distancia y generar mapas estelares de fluctuaciones de densidad en varias capas radiales.

Contribuciones Clave y Resultados

• Volumen Local ($<11$ Mpc): Dentro de los 11 Mpc, el modelo de Biteau (derivado directamente del catálogo del Volumen Local de Karachentsev et al. 2018) resulta ser superior a CosmicFlows. Revela una sobre-densidad local aproximadamente el doble de grande de lo inferido por CF4. Los autores atribuyen la subestimación de CF4 a la falta de un prior que sitúe al observador dentro de una galaxia similar a la Vía Láctea; CF4 reconstruye la masa basándose en velocidades relativas sin sesgarse por la ubicación del observador en un entorno denso local.
• La Zona de Evitación (ZoA) y Artefactos de Clonación: El estudio identifica que el procedimiento de "clonación" utilizado en B21 para rellenar la ZoA crea estructuras a gran escala enteramente ficticias. En regiones hacia el centro galáctico, la clonación refleja estructuras de $|b| \approx 20^\circ$ hacia la zona oscurecida, duplicando artificialmente la sobre-densidad en ciertas capas (por ejemplo, a 85 Mpc). Consecuentemente, el campo de densidad de B21 en la ZoA se considera poco fiable, excepto dentro del Volumen Local de 11 Mpc donde existen observaciones directas.
• Distribución Radial y Efectos "Finger-of-God": A distancias mayores, el modelo B21 exhibe una distribución de masa radial menos robusta en comparación con CF4. Debido a que B21 asigna distancias principalmente basándose en el desplazamiento al rojo ($d = cz/H_0$), no logra contabilizar las velocidades peculiares significativas (las velocidades de inflo hacia cúmulos masivos pueden exceder los 1000 km/s). Esto conduce a artefactos de "dedo de Dios" (finger-of-god) donde la masa se dispersa radialmente sobre capas de distancia incorrectas, mientras que el modelado autoconstante de las velocidades peculiares de CF4 proporciona una distribución radial más concentrada y físicamente motivada.
• Discrepancias Estructurales: Aunque CF2 y CF4 muestran estructuras a gran escala similares, CF4 revela subestructuras más detalladas (ej. Antlia, NGC 5846) y varianzas mayores. Notablemente, los autores encuentran desalineaciones inesperadas en las posiciones angulares de las estructuras en CF4 comparado con el catálogo de galaxias en regiones fuera de la ZoA (ej. la región de Pavo-Indus), donde B21 muestra una sobre-densidad significativa que CF4 no identifica. Los autores sugieren que esto puede deberse a asignaciones de distancia basadas en el desplazamiento al rojo incorrectas en B21 o a un fallo de CF4 para capturar concentraciones de masa específicas, aunque la causa exacta sigue siendo un misterio.
• El Muro del Polo Sur: El artículo destaca que el Muro del Polo Sur, descubierto por CosmicFlows, está ausente en los catálogos de galaxias, demostrando que la oscurecimiento puede ser un problema incluso fuera de los límites estrictos de la ZoA.

Significancia y Conclusiones
El artículo concluye que la elección del modelo depende de la aplicación específica y la escala de distancia:

• Para el Volumen Local ($<11$ Mpc): Se prefiere el enfoque de catálogo directo (B21/LV) debido a sus mediciones de distancia robustas y su capacidad para capturar la verdadera sobre-densidad local.
• Para la Zona de Evitación: El enfoque de CosmicFlows (CF4) es actualmente el más fiable, ya que se basa en la autoconstancia de los movimientos a gran escala en lugar de la clonación ficticia.
• Para la Estructura General a Gran Escala: Si bien B21 proporciona buena información angular donde la oscureción es mínima, su distribución radial está comprometida por los efectos de la velocidad peculiar. Por el contrario, CF4 proporciona una distribución de masa físicamente consistente, pero puede ocasionalmente desalinear estructuras angulares o subestimar las sobre-densidades locales debido a los priors del modelado.

Los autores enfatizan que para los estudios de UHECR, la sensibilidad a la distancia de la fuente y al campo magnético galáctico significa que los errores en la distribución radial de B21 y las estructuras artificiales de la clonación podrían impactar significativamente las predicciones de la magnitud del dipolo de los UHECR. Sugieren que los modelos futuros deberían idealmente combinar los priors físicos de CosmicFlows con mediciones de distancia robustas de los catálogos de galaxias, y que el método de "clonación" para la ZoA debería ser reemplazado por técnicas que estadísticamente reponderen las galaxias observadas basándose en el modelado de polvo y gas.