Assembly bias and the redshift evolution of intrinsic alignments for LRGs

技术摘要：组装偏差与 LRG 的红移演化

问题陈述
星系本征对齐（Intrinsic Alignments, IA）是弱引力透镜观测中的主要天体物理系统误差来源，如果建模不当，可能会导致宇宙学参数推断产生偏差。目前的建模工作（如非线性对齐模型 NLA）通常假设对齐振幅仅取决于晕质量。然而，随着 Euclid 和 LSST 等高统计量巡天时代的到来，此前被观测不确定性所掩盖的次级依赖关系可能变得显著。具体而言，需要利用大规模流体动力学模拟来研究组装偏差（即晕属性除了质量之外还依赖于形成历史）以及对齐信号的红移演化对的影响，以确保未来宇宙剪切分析的稳健建模。

方法论
作者利用了 FLAMINGO 系列宇宙学流体动力学模拟中 2.8 Gpc 箱体大小的运行版本（Schaye et al. 2023），该模拟包含了重子物理学和一个标称的反馈变化。本研究重点关注类亮红星系（LRG）中心星系样本，其定义为具有束缚暗物质质量 $M_h > 10^{12} M_\odot$ 的晕以及拥有超过 300 个恒星粒子（$\sim 2.22 \times 10^{11} M_\odot$）的星系。

关键方法步骤包括：

1. 形成红移定义：将形成红移（$z_f$）定义为晕包含其当前质量一半（$0.5 M_{200\text{mean}}$）时的红移。该定义通过其与晕浓度（$c_{200\text{crit}}$）的强相关性得到了验证。
2. 相关函数估计：使用广义 Landy-Szalay 估计器计算位置-位置（$gg$）和位置-形状（$g+$）相关函数，并使用 IATheory 代码在 NLA 框架下进行建模。
3. 组装偏差分析：通过按晕质量和形成红移对样本进行分箱，以隔离在固定质量下对齐振幅（$A_1$）对 $z_f$ 的依赖性。
4. 红移演化建模：在不同模拟快照（$z=0$ 到 $z=1.5$）之间拟合对齐振幅与晕质量之间的幂律关系（$A_1 \propto M^{\beta_M}$）。
5. 星系追踪：使用 HBT-HERONS 子晕查找器的 Track_id 在不同快照间追踪中心星系，以区分红移演化与简单的质量增长。样本在初始红移（$z_i$）处被选取，并一直追踪至 $z=0$，若物体发生合并或低于恒星粒子阈值，则将其移除。

关键结果

• 组装偏差依赖性：对齐振幅不仅取决于晕质量，还取决于形成红移。在固定晕质量下，形成较早（较高 $z_f$）的晕及其中心星系表现出系统性更高的对齐振幅。这种效应表现为 $A_1$–质量关系的垂直位移，而幂律斜率基本保持不变。
• 参数的红移演化：质量-对齐幂律的振幅（$\alpha_M$）随红移稳步增加。斜率（$\beta_M$）随红移降低，直到 $z \sim 1$ 时趋于平缓。作者提供了 $\alpha_M(z)$ 和 $\beta_M(z)$ 的经验二次拟合公式（方程 13 和 14）。
• 质量-红移模型：提出了一个组合质量-红移模型（方程 12–14），用于根据给定红移和平均晕质量预测 LRG 样本的对齐振幅。
• 追踪分析：当从高初始红移（$z_i$）追踪星系时，对齐振幅随红移降低而增加，这与质量增长一致。然而，即使在根据质量-红移模型预测进行归一化后，仍然存在系统性偏差：从较高 $z_i$ 追踪的星系比从较低 $z_i$ 追踪的星系保留了更高的对齐振幅。这证实了组装偏差在给定质量和红移下，为对齐振幅引入了不可消除的散射。
• 幂律偏差：幂律拟合在低质量（$< 10^{13} M_\odot$）和高质量（$> 3 \times 10^{14} M_\odot$）区域出现偏差。在低质量端，作者观察到相对于幂律的下降（这与某些仅重力模拟的结果相反）；而在高质量端也观察到了下降，这归因于持续的晕形成过程。

意义与主张
本文声称，弱引力透镜巡天中的 IA 建模不能依赖于任意小的对齐振幅先验范围，因为组装偏差在固定晕质量下引入了振幅的基本分布。虽然现有模型（如 NLA）的函数形式可能不需要为了解释组装偏差而进行修改，但必须扩大振幅参数的先验约束，以容纳这种次级依赖关系。

此外，研究结果使基于仅重力模拟的晕占据分布（HOD）对齐模型的实现变得复杂。由于 HOD 模型通常仅根据质量分配属性，因此除非明确纳入，否则无法捕捉形成时间带来的依赖性。本研究为 LRG 类样本的红移演化模型提供了基于模拟的指导，并提供了质量-红移依赖性的经验拟合。

局限性
作者指出，FLAMINGO 模拟的分辨率不足以解析星系盘的演化（盘比例在 $z \sim 1.5$ 时仍 $<1\%$）。因此，其结果严格适用于纯 LRG 样本（椭圆星系），且未考虑椭圆星系向盘星系的演化或盘星系的对齐信号。该质量-红移模型在晕质量 $10^{13}$ 至 $10^{14.5} M_\odot$ 之间以及红移高达 $z \sim 1.5$ 的范围内有效。