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

Technische Samenvatting: Hoe goed is de lokale grootschalige structuur van het universum bekend? CosmicFlows versus Biteau's sterrenstelselcatalogus met klonen

Probleemstelling
Nauwkeurige kennis van de lokale materiedichtheidsverdeling is cruciaal voor diverse kosmologische toepassingen, waaronder het modelleren van bronnen van ultrahoogenergetische kosmische straling (UHECR) en het voorspellen van diffuse signalen van donkere materie-annihilatie. Er bestaan twee primaire methodologieën voor het reconstrueren van deze lokale grootschalige structuur (LSS): (1) het afleiden van dichtheidsvelden uit geobserveerde peculiarities van de snelheid van sterrenstelsels en roodverschuivingsonafhankelijke posities (de CosmicFlows-benadering), en (2) het construeren van catalogi van sterrenstelsels met afstandsschattingen en het invullen van ongeobserveerde regio's (de Biteau-benadering). Hoewel recente werken deze modellen hebben gebruikt om de dipoolanisotropieën van UHECR te verklaren, ontbrak een kwantitatieve vergelijking van hun getrouwheid, met name met betrekking tot de "Zone of Avoidance" (ZoA) die wordt gehinderd door de Melkweg en de radiale verdeling van massa. Dit artikel behandelt de discrepanties tussen deze modellen om te bepalen welke een betrouwbaardere basis vormt voor de lokale massaverdeling.

Methodologie
De auteurs voeren een kwantitatieve vergelijking uit tussen drie dichtheidsmodellen:

1. CosmicFlows2 (CF2): Een quasi-lineair dichtheidsveld afgeleid van ongeveer 8.000 sterrenstelsels met behulp van de Wiener Filter en constrained realisaties (Hoffman et al. 2018).
2. CosmicFlows4 (CF4): Een state-of-the-art reconstructie met behulp van het HAMLET-algoritme en Hamiltonian Monte Carlo-sampling op een steekproef van 55.877 sterrenstelsels (Valade 2026, in voorbereiding).
3. Biteau's Catalogus (B21): Een semi-empirische catalogus van ongeveer 489.000 sterrenstelsels binnen 350 Mpc (Biteau 2021). B21 wijst massa's toe op basis van lichtfuncties en maakt gebruik van een "kloneringstechniek" om de ZoA ($|b| < 20^\circ$ voor $|\ell| < 30^\circ$) in te vullen door sterrenstelsels over de ZoA-grens te spiegelen.

Om vergelijking mogelijk te maken, voxeliseren de auteurs de 3D-ruimte in sferische schillen ($\Delta d \approx 1,43$ Mpc) en Healpix-pixels. Ze passen smoothing toe op de Biteau-catalogus om de resolutie van de CosmicFlows-velden te matchen, waarbij Gaussische profielen worden gebruikt voor radiale smoothing ($R_s = 5$ en $10$ Mpc) en specifieke hoekmatige smoothing-schema's. Voor het lokale volume ($<10$ Mpc) wordt een 2D nested pixel smoothing gebruikt om onfysische massaverdeling naar negatieve afstanden te voorkomen. De vergelijking omvat het analyseren van gemiddelde over-dichtheden als functie van afstand en het genereren van skymaps van dichtheidsfluctuaties in verschillende radiale schillen.

Belangrijkste bijdragen en resultaten

• Lokaal Volume ($<11$ Mpc): Binnen 11 Mpc blijkt het Biteau-model (afgeleid van de directe Local Volume-catalogus van Karachentsev et al. 2018) superieur aan CosmicFlows. Het onthult een lokale overdicht die ongeveer twee keer zo groot is als de door CF4 geïnferrederde dichtheid. De auteurs schrijven de onderschatting door CF4 toe aan het gebrek aan een prior die de waarnemer binnen een Melkweg-achtig sterrenstelsel plaatst; CF4 reconstrueert massa op basis van relatieve snelheden zonder te biasen voor de locatie van de waarnemer in een dichte lokale omgeving.
• De Zone of Avoidance (ZoA) en kloneringsartefacten: De studie identificeert dat de "kloneringsprocedure" die door B21 wordt gebruikt om de ZoA in te vullen, geheel fictieve grootschalige structuren creëert. In regio's richting het galactisch centrum spiegelt klonering structuren van $|b| \approx 20^\circ$ naar de geobscureerde zone, waardoor de overdicht in bepaalde schillen (bijv. bij 85 Mpc) kunstmatig wordt verdubbeld. Bijgevolg wordt het B21-dichtheidsveld in de ZoA als onbetrouwbaar beschouwd, behalve binnen het 11 Mpc Local Volume waar directe observaties bestaan.
• Radiale Verdeling en "Finger-of-God"-effecten: Op grotere afstanden vertoont het B21-model een minder robuuste radiale massaverdeling vergeleken met CF4. Omdat B21 afstanden grotende tot op zekere hoogte toeweist op basis van roodverschuiving ($d = cz/H_0$), houdt het geen rekening met significante peculiarities van de snelheid (invalssnelheden in massieve clusters kunnen meer dan 1000 km/s bedragen). Dit leidt tot "finger-of-god"-artefacten waarbij massa over onjuiste radiale afstandsschillen wordt verspreid, terwijl de zelfconsistente modellering van de snelheid door CF4 een meer geconcentreerde en fysiek gemotiveerde radiale verdeling biedt.
• Structurele Discrepanties: Hoewel CF2 en CF4 vergelijkbare grootschalige structuren vertonen, onthult CF4 gedetailleerdere substructuren (bijv. Antlia, NGC 5846) en grotere varianties. Opvallend genoeg vinden de auteurs onverwachte misalignments in de hoekposities van structuren in CF4 vergeleken met de sterrenstelselcatalogus in niet-ZoA regio's (bijv. de Pavo-Indus regio), waar B21 een significante overdicht laat zien die CF4 niet identificeert. De auteurs suggereren dat dit kan komen door onjuiste roodverschuivingsgebaseerde afstandstoewijzingen in B21 of een falen van CF4 om specifieke massaconcentraties te vatten, hoewel de exacte oorzaak een mysterie blijft.
• De South Pole Wall: Het artikel benadrukt dat de South Pole Wall, ontdekt door CosmicFlows, afwezig is in sterrenstelselcatalogi, wat aantoont dat obscuratie een probleem kan zijn zelfs buiten de strikte ZoA-grenzen.

Betekenis en Conclusies
Het artikel concludeert dat de keuze van het model afhangt van de specifieke toepassing en afstandsschaal:

• Voor het Lokale Volume ($<11$ Mpc): De directe catalogusbenadering (B21/LV) heeft de voorkeur vanwege de robuuste afstandmetingen en het vermogen om de ware lokale overdicht te vangen.
• Voor de Zone of Avoidance: De CosmicFlows-benadering (CF4) is momenteel de meest betrouwbare, omdat deze vertrouwt op de zelfconsistentie van grootschalige bewegingen in plaats van fictieve klonering.
• Voor Algemene Grootschalige Structuur: Hoewel B21 goede hoekinformatie biedt waar obscuratie minimaal is, is de radiale verdeling gecompromitteerd door effecten van de snelheid. Daarentegen biedt CF4 een fysiek consistente massaverdeling, maar kan het soms hoekstructuren misalignen of lokale overdichtheden onderschatten door modellerings-priors.

De auteurs benadrukken dat voor UHECR-studies de gevoeligheid voor de bronafstand en het galactisch magnetisch veld betekent dat de fouten in de radiale verdeling van B21 en de kunstmatige structuren door klonering de voorspelling van de UHECR-dipoolmagnitude aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Ze suggereren dat toekomstige modellen ideaal gezien de fysieke priors van CosmicFlows moeten combineren met robuuste afstandmetingen uit sterrenstelselcatalogi, en dat de "kloneringsmethode" voor de ZoA vervangen moet worden door technieken die geobserveerde sterrenstelsels statistisch herwegen op basis van stof- en gasmodellering.