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

技術要約：局所的な宇宙の大規模構造はどの程度解明されているか？ CosmicFlows vs. Biteauの銀河カタログとクローニング法

問題提起
局所的な物質密度分布を正確に把握することは、超高エネルギー宇宙線（UHECR）源のモデリングや、拡散するダークマター消滅信号の予測を含む、様々な宇宙論的応用において極めて重要である。局所的な大規模構造（LSS）を再構成するための主要な手法は、主に2つ存在する。(1) 観測された銀河の特異速度（peculiar velocities）と赤方偏移に依存しない位置から密度場を推論する手法（CosmicFlowsのアプローチ）、および (2) 距離推定値を持つ銀河カタログを作成し、未観測領域を補完する手法（Biteauのアプローチ）である。近年の研究では、これらのモデルを用いてUHECRの双極子異方性を説明する試みがなされているが、特に天の川銀河によって遮蔽された「回避帯（Zone of Avoidance: ZoA）」や質量の動径分布に関して、両者の忠実度を定量的に比較した研究は不足していた。本論文は、これらのモデル間の相違を検証することで、局所的な質量分布のより信頼できる基準となるのはどちらであるかを決定することを目的としている。

手法
著者らは、以下の3つの密度モデルの定量的比較を行う。

1. CosmicFlows2 (CF2): ウィーナーフィルタリングと制約付き実現（constrained realizations）を用い、約8,000個の銀河から導出された準線形密度場（Hoffman et al. 2018）。
2. CosmicFlows4 (CF4): 55,877個の銀河のサンプルに対し、HAMLETアルゴリズムとハミルトニアンモンテカルロ・サンプリングを用いた最新の再構成（Valade 2026, 準備中）。
3. Biteauのカタログ (B21): 半経験的な、距離350 Mpc以内の約489,000個の銀河からなるカタログ（Biteau 2021）。B21は光度関数に基づいて質量を割り当て、さらに、銀河をZoA境界（$|b| < 20^\circ$ かつ $|\ell| < 30^\circ$）に対して鏡像反転させる「クローニング」技術を用いて、ZoA内の欠損領域を埋めている。

比較を可能にするため、著者らは3次元空間を球殻（$\Delta d \approx 1.43$ Mpc）およびHealpixピクセルへとボクセル化している。Biteauカタログに対しては、CosmicFlowsの場の解像度に一致させるため、半径方向の平滑化（$R_s = 5$ および $10$ Mpcのガウスプロファイル）および特定の角度平滑化スキームを適用している。局所体積（$<10$ Mpc）については、負の距離への物理的に不自然な質量再分配を避けるため、2Dのネストされたピクセル平滑化を用いている。比較においては、距離の関数としての平均過密度を分析し、様々な半径殻における密度ゆらぎのスカイマップを生成している。

主な貢献と結果

• 局所体積 ($<11$ Mpc): 11 Mpc以内においては、直接的な銀河カタログ（Karachentsev et al. 2018）に由来するBiteauモデルの方がCosmicFlowsよりも優れていることが判明した。Biteauモデルは、CF4によって推測されるものよりも約2倍大きい局所的な過密性を示している。著者らは、CF4による過小評価の原因として、観測者を天の川銀河のような銀河の中に配置するという事前分布の欠如を挙げている。CF4は相対的な速度に基づいて質量を再構成するため、密な局所環境の中に観測者が存在するというバイアスを考慮していない。
• 回避帯 (ZoA) とクローニングによるアーティファクト: 本研究は、B21で使用されているZoAを埋めるための「クローニング」手順が、完全に架空の大規模構造を作り出していることを特定した。銀河中心方向の領域では、クローニングによって$|b| \approx 20^\circ$の構造がZoA内へと鏡像反映され、特定の殻（例：85 Mpc地点）において過密性を人工的に倍増させている。したがって、B21のZoAにおける密度場は、直接観測が存在する11 Mpcの局所体積を除いて、信頼できないものとされる。
• 動径分布と「指状の構造（Finger-of-God）」効果: より遠方の距離において、B21モデルはCF4と比較して、動径方向の質量分布の堅牢性に欠けている。B21は主に赤方偏移に基づいて距離を割り当てているため（$d = cz/H_0$）、特異速度（巨大な銀河団における流入速度は1000 km/sを超えることがある）を考慮できていない。これにより、「指状の構造（Finger-of-God）」と呼ばれるアーティファクトが生じ、質量が誤った距離殻に放射状に広がってしまう。対照的に、特異速度を自己整合的にモデリングしているCF4は、より集中しており、物理的に妥当な動径分布を提供している。
• 構造の不一致: CF2とCF4は同様の大規模構造を示しているが、CF4はより詳細なサブ構造（AntliaやNGC 5846など）と大きな分散を明らかにしている。注目すべき点として、非ZoA領域（例：Pavo-Indus領域）において、CF4と銀河カタログとの間で角位置の予期せぬずれが見られる。この領域ではB21が顕著な過密性を示しているが、CF4はそれを特定していない。著者らは、これがB21における赤方偏移ベースの距離割り当ての誤り、あるいはCF4が特定の質量集中を捉えきれていないことに起因すると示唆しているが、その正確な原因は不明である。
• 南極壁 (South Pole Wall): 本論文は、CosmicFlowsによって発見された「南極壁」が銀河カタログには存在しないことを強調しており、遮蔽の問題は厳密なZoAの境界外でも起こり得ることを示している。

意義と結論
本論文は、選択すべきモデルは用途と距離スケールに依存すると結論付けている：

• 局所体積 ($<11$ Mpc) の場合: 直接的なカタログアプローチ（B21/LV）が、その堅牢な距離測定と真の局所過密性を捉える能力により好ましい。
• 回避帯 (ZoA) の場合: 架空のクローニングに頼らず、大規模な運動の自己整合性に依拠しているため、現在のところCosmicFlowsのアプローチ（CF4）が最も信頼できる。
• 一般的な大規模構造の場合: B21は遮蔽が最小限の領域では良好な角度情報を提供するが、その動径分布は特異速度の影響によって損なわれる。逆に、CF4は物理的に一貫した質量分布を提供するが、時として角構造の位置をずらしたり、局所的な過密性を過小評価したりすることがある。

著者らは、UHECRの研究においては、光源までの距離と銀河磁場の両方に対する感度を考慮すると、B21の動径分布の誤差やクローニングによる人工的な構造が、UHECR双極子の大きさの予測に大きな影響を与える可能性があると強調している。今後のモデルは、理想的にはCosmicFlowsの物理的な事前分布と、銀河カタログによる堅牢な距離測定を組み合わせるべきであり、ZoAに対する「クローニング」手法は、塵やガスのモデリングに基づいて観測された銀河を統計的に重み付けする手法へと置き換えるべきであると提言している。