Assembly bias and the redshift evolution of intrinsic alignments for LRGs

Technische Samenvatting: Assemblage-bias en de roodverschuivingsevolutie van intrinsieke uitlijningen voor LRGs

Probleemstelling
Intrinsieke uitlijningen (IA) van sterrenstelsels vormen een primaire astrofysische systematische contaminatie in zwakke gravitationele lensmetingen (weak lensing), die in staat is de kosmologische parameterinferentie te verstoren als deze niet correct wordt gemodelleerd. Huidige modelleringsinspanningen, zoals het Non-Linear Alignment (NLA) model, gaan er vaak van uit dat de uitlijningsamplitude uitsluitend afhangt van de halo-massa. Echter, met de komst van statistisch rijke surveys zoals Euclid en LSST, kunnen secundaire afhankelijkheden die voorheen verborgen waren door observationele onzekerheden significant worden. Specifiek vereisen de impact van assemblage-bias—de afhankelijkheid van halo-eigenschappen van de vormingsgeschiedenis buiten de massa om—en de roodverschuivingsevolutie van het uitlijningssignaal onderzoek met behulp van grootschalige hydrodynamische simulaties om robuuste modellering voor toekomstige kosmische scheringsanalyses te waarborgen.

Methodologie
De auteurs maken gebruik van de 2,8 Gpc box-grootte run van de FLAMINGO-suite van kosmologische hydrodynamische simulaties (Schaye et al. 2023), die baryonische fysica en een fiduciaire feedback-variatie bevat. De studie richt zich op een steekproef van Luminous Red Galaxy (LRG)-achtige centrale sterrenstelsels, gedefinieerd door halo's met een gebonden donkere materie massa $M_h > 10^{12} M_\odot$ en sterrenstelsels met meer dan 300 deeltjes van sterrenmaterie ($\sim 2,22 \times 10^{11} M_\odot$).

Belangrijke methodologische stappen zijn onder meer:

1. Definitie van vormingsroodverschuiving: De vormingsroodverschuiving ($z_f$) wordt gedefinieerd als de roodverschuiving waarbij een halo de helft van zijn huidige massa bevatte ($0,5 M_{200\text{mean}}$). Deze definitie wordt gevalideerd door de sterke correlatie met halo-concentratie ($c_{200\text{crit}}$).
2. Correlatie-estimatie: Positie-positie ($gg$) en positie-vorm ($g+$) correlatiefuncties worden berekend met behulp van gegeneraliseerde Landy-Szalay estimators en gemodelleerd met de IATheory code binnen het NLA-raamwerk.
3. Assemblage-bias analyse: De steekproef wordt ingedeeld per halo-massa en vormingsroodverschuiving om de afhankelijkheid van de uitlijningsamplitude ($A_1$) van $z_f$ bij een vaste massa te isoleren.
4. Roodverschuivingsevolutie modellering: De auteurs passen een machtswet-relatie toe tussen de uitlijningsamplitude en halo-massa ($A_1 \propto M^{\beta_M}$) over verschillende simulatie-snapshots ($z=0$ tot $z=1,5$).
5. Sterrenstelsel-tracking: Centrale sterrenstelsels worden over snapshots heen gevolgd met behulp van de Track_id van de HBT-HERONS subhalo finder om de evolutie van de roodverschuiving te onderscheiden van eenvoudige massagroei. De steekproef wordt geselecteerd op een initiële roodverschuiving ($z_i$) en gevolgd tot $z=0$, waarbij objecten worden verwijderd als ze samensmelten of onder de drempelwaarde van sterrenmaterie-deeltjes zakken.

Belangrijkste Resultaten

• Assemblage-bias afhankelijkheid: De uitlijningsamplitude hangt niet alleen af van de halo-massa, maar ook van de vormingsroodverschuiving. Bij een vaste halo-massa vertonen halo's en hun centrale sterrenstelsels die eerder zijn gevormd (hogere $z_f$) een systematisch hogere uitlijningsamplitude. Dit effect manifesteert zich als een verticale verschuiving in de $A_1$–massa relatie, terwijl de machtswet-helling grotendeels onveranderd blijft.
• Roodverschuivingsevolutie van parameters: De amplitude van de massa-uitlijning machtswet ($\alpha_M$) neemt gestaag toe met de roodverschuiving. De helling ($\beta_M$) neemt af met de roodverschuiving tot $z \sim 1$ en vlakt daarna af. De auteurs bieden empirische kwadratische fits voor $\alpha_M(z)$ en $\beta_M(z)$ (Gelijkheden 13 en 14).
• Massa-roodverschuivingsmodel: Een gecombineerd massa-roodverschuivingsmodel wordt voorgesteld (Gelijkheden 12–14) om de uitlijningsamplitudes voor LRG-steekproeven te voorspellen op basis van hun roodverschuiving en gemiddelde halo-massa.
• Tracking analyse: Wanneer sterrenstelsels worden getrackt vanaf hoge initiële roodverschuivingen ($z_i$), neemt de uitlijningsamplitude toe naarmate de roodverschuiving afneemt, wat consistent is met massagroei. Echter, zelfs na normalisatie door de massa-roodverschuivingsmodel-voorspelling, blijft een systematische offset bestaan: sterrenstelsels getrackt vanaf hogere $z_i$ behouden een hogere uitlijningsamplitude dan die getrackt vanaf lagere $z_i$. Dit bevestigt dat assemblage-bias een onvermijdelijke spreiding introduceert in de uitlijningsamplitude bij een gegeven massa en roodverschuiving.
• Afwijkingen van de machtswet: De machtswet-fit wijkt af bij lage massa's ($< 10^{13} M_\odot$) en hoge massa's ($> 3 \times 10^{14} M_\odot$). Bij lage massa's observeren de auteurs een afname ten opzichte van de machtswet (in tegenstelling tot sommige zwaartekracht-alleen resultaten), terwijl bij hoge massa's een afname wordt waargenomen, toegeschreven aan voortdurende halo-vorming.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat IA-modellering in zwakke lensing-surveys niet kan vertrouwen op willekeurig kleine prior-bereiken voor de uitlijningsamplitude, aangezien assemblage-bias een fundamentele spreiding in amplitude introduceert bij een vaste halo-massa. Hoewel de functionele vorm van bestaande modellen (zoals NLA) mogelijk geen modificatie vereist om assemblage-bias te verklaren, moeten de prior-beperkingen op de amplitudeparameter worden verbreed om deze secundaire afhankelijkheid te accommoderen.

Bovendien compliceren de resultaten de implementatie van Halo Occupation Distribution (HOD) gebaseerde uitlijningsmodellen voor zwaartekracht-alleen simulaties. Omdat HOD-modellen eigenschappen doorgaans enkel op basis van massa toewijzen, slagen zij er niet in de vormingstijd-afhankelijkheid te vangen, tenzij dit expliciet wordt geïncorporeerd. De studie biedt simulatie-gebaseerde richtlijnen voor een roodverschuivingsevolutie-model van IA, en biedt empirische fits voor de massa-roodverschuivingsafhankelijkheid van de uitlijningsamplitude voor LRG-achtige steekproeven.

Beperkingen
De auteurs merken op dat de resolutie van de FLAMINGO-simulatie onvoldoende is om de evolutie van sterrenstelsel-schijven te resolveren (het fractie van de schijf blijft $<1\%$ tot $z \sim 1,5$). Bijgevolg zijn de resultaten strikt van toepassing op pure LRG-steekproeven (elliptische sterrenstelsels) en houden zij geen rekening met de evolutie van elliptische naar schijfsterrenstelsels of de uitlijningssignalen van schijfsterrenstelsels. Het massa-roodverschuivingsmodel is geldig voor halo-massa's tussen $10^{13}$ en $10^{14,5} M_\odot$ en roodverschuivingen tot $z \sim 1,5$.