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

Resumo Técnico: Quão bem se conhece a Estrutura de Grande Escala local do Universo? CosmicFlows vs. o Catálogo de Galáxias de Biteau com Clonagem

Definição do Problema
O conhecimento preciso da distribuição da densidade de matéria local é crítico para várias aplicações cosmológicas, incluindo a modelagem de fontes de raios cósmicos de ultra-alta energia (UHECR) e a previsão de sinais difusos de aniquilação de Matéria Escura. Existem duas metodologias primárias para reconstruir esta Estrutura de Grande Escala (LSS) local: (1) inferir campos de densidade a partir de velocidades peculiares de galáxias observadas e posições independentes de redshift (a abordagem CosmicFlows), e (2) construir catálogos de galáxias com estimativas de distância e preencher regiões não observadas (a abordagem de Biteau). Embora trabalhos recentes tenham utilizado estes modelos para explicar anisotropias de dipolo de UHECR, faltava uma comparação quantitativa de sua fidelidade, particularmente em relação à "Zona de Evitação" (ZoA) obscurecida pela Via Láctea e à distribuição radial de massa. Este artigo aborda as discrepâncias entre estes modelos para determinar qual fornece uma base mais confiável para a distribuição de massa local.

Metodologia
Os autores realizam uma comparação quantitativa entre três modelos de densidade:

1. CosmicFlows2 (CF2): Um campo de densidade quase-linear derivado de ~8.000 galáxias usando o Filtro de Wiener e realizações de restrição (Hoffman et al. 2018).
2. CosmicFlows4 (CF4): Uma reconstrução de última geração usando o algoritmo HAMLET e amostragem de Monte Carlo Hamiltoniano em uma amostra de 55.877 galáxias (Valade 2026, em preparação).
3. Catálogo de Biteau (B21): Um catálogo semi-empírico de ~489.000 galáxias dentro de 350 Mpc (Biteau 2021). O B21 atribui massas baseadas em funções de luminosidade e emprega uma técnica de "clonagem" para preencher a ZoA ($|b| < 20^\circ$ para $|\ell| < 30^\circ$) espelhando galáxias através da fronteira da ZoA.

Para permitir a comparação, os autores voxelizam o espaço 3D em cascas esféricas ($\Delta d \approx 1,43$ Mpc) e pixels Healpix. Eles aplicam suavização ao catálogo de Biteau para corresponder à resolução dos campos CosmicFlows, utilizando perfis Gaussianos para suavização radial ($R_s = 5$ e $10$ Mpc) e esquemas específicos de suavização angular. Para o volume local ($<10$ Mpc), é usada uma suavização de pixel aninhado 2D para evitar redistribuição de massa não física para distâncias negativas. A comparação envolve a análise de sobredensidades médias como uma função da distância e a geração de mapas de céu de flutuações de densidade em várias cascas radiais.

Principais Contribuições e Resultados

• Volume Local ($<11$ Mpc): Dentro de 11 Mpc, o modelo de Biteau (derivado diretamente do catálogo do Volume Local de Karachentsev et al. 2018) mostra-se superior ao CosmicFlows. Ele revela uma sobredensidade local aproximadamente duas vezes maior do que a inferida pelo CF4. Os autores atribuem a subestimativa do CF4 à falta de um prior que coloque o observador dentro de uma galáxia do tipo Via Láctea; o CF4 reconstrói a massa baseando-se em velocidades relativas sem enviesar para a localização do observador em um ambiente local denso.
• A Zona de Evitação (ZoA) e Artefatos de Clonagem: O estudo identifica que o procedimento de "clonagem" usado no B21 para preencher a ZoA cria estruturas de grande escala inteiramente fictícias. Em regiões voltadas para o centro Galáctico, a clonagem espelha estruturas de $|b| \approx 20^\circ$ para dentro da zona obscurecida, duplicando artificialmente a sobredensidade em certas cascas (por exemplo, a 85 Mpc). Consequentemente, o campo de densidade do B21 na ZoA é considerado não confiável, exceto dentro dos 11 Mpc do Volume Local onde existem observações diretas.
• Distribuição Radial e Efeitos "Finger-of-God": Em distâncias maiores, o modelo B21 exibe uma distribuição de massa radial menos robusta em comparação ao CF4. Como o B21 atribui distâncias majoritariamente baseadas em redshift ($d = cz/H_0$), ele falha em contabilizar velocidades peculiares significativas (velocidades de influxo em clusters massivos podem exceder 1000 km/s). Isso leva a artefatos de "dedo de Deus" (finger-of-god), onde a massa é espalhada radialmente sobre cascas de distância incorretas, enquanto o modelamento autossuficiente de velocidades peculiares do CF4 fornece uma distribuição radial mais concentrada e fisicamente motivada.
• Discrepâncias Estruturais: Embora o CF2 e o CF4 mostrem estruturas de grande escala semelhantes, o CF4 revela subestruturas mais detalhadas (ex: Antlia, NGC 5846) e variâncias maiores. Notavelmente, os autores encontram desalinhamentos inesperados nas posições angulares das estruturas em CF4 comparado ao catálogo de galáxias em regiões fora da ZoA (ex: região Pavo-Indus), onde o B21 mostra uma sobredensidade significativa que o CF4 não identifica. Os autores sugerem que isso pode ser devido a atribuições de distância baseadas em redshift incorretas no B21 ou uma falha do CF4 em capturar concentrações de massa específicas, embora a causa exata permaneça um mistério.
• A Parede do Polo Sul (South Pole Wall): O artigo destaca que a Parede do Polo Sul, descoberta pelo CosmicFlows, está ausente em catálogos de galáxias, demonstrando que a obstrução pode ser um problema mesmo fora dos limites estritos da ZoA.

Significância e Conclusões
O artigo conclui que a escolha do modelo depende da aplicação específica e da escala de distância:

• Para o Volume Local ($<11$ Mpc): A abordagem direta de catálogo (B21/LV) é preferível devido às suas medições de distância robustas e capacidade de capturar a verdadeira sobredensidade local.
• Para a Zona de Evitação: A abordagem CosmicFlows (CF4) é atualmente a mais confiável, pois baseia-se na autossuficiência de movimentos de grande escala em vez de clonagem fictícia.
• Para a Estrutura de Grande Escala Geral: Embora o B21 forneça boas informações angulares onde a obstrução é mínima, sua distribuição radial é comprometida por efeitos de velocidade peculiar. Por outro lado, o CF4 fornece uma distribuição de massa fisicamente consistente, mas pode ocasionalmente desalinhar estruturas angulares ou subestimar sobredensidades locais devido a priors de modelagem.

Os autores enfatizam que, para estudos de UHECR, a sensibilidade à distância da fonte e ao campo magnético Galáctico significa que os erros de distribuição radial no B21 e as estruturas artificiais da clonagem poderiam impactar significativamente as previsões da magnitude do dipolo de UHECR. Eles sugerem que modelos futuros devem idealmente combinar os priors físicos do CosmicFlows com medições de distância robustas de catálogos de galáxias, e que o método de "clonagem" para a ZoA deve ser substituído por técnicas que reponderem estatisticamente as galáxias observadas com base em modelagem de poeira e gás.