Calibrating cosmological simulations with implicit likelihood inference using galaxy growth observables
在一种新的方法，采用隐式似然推理（ILI），也被称为无似然推理，我们校准宇宙学流体动力学模拟的参数对观测，这是以前不可行的，由于这些模拟的高计算成本。为了提高计算效率，我们训练神经网络作为模拟器对~1000宇宙学模拟从CAMELS项目估计模拟观测，作为输入的宇宙学和天体物理参数，并使用这些模拟器作为代理人的宇宙学模拟。使用宇宙恒星形成率密度（SFRD），分别，恒星质量函数（SMF）在不同的红移，我们执行ILI选定的宇宙学和天体物理参数（Ω_m，σ_8，恒星风反馈，动力学黑洞反馈），并获得完整的6维后验分布。在性能测试中，仿真的SFRD（SMF）的ILI可以恢复目标观测量的相对误差为0.17%（0.4%）。我们发现，简并之间存在的参数推断仿真SFRD，证实了新的完整的宇宙学模拟。我们还发现，SMF可以打破SFRD的简并性，这表明SMF为参数提供了补充约束。此外，我们发现，从观测推断SFRD推断的参数组合再现目标观测SFRD非常好，而在SMF的情况下，推断和观察到的SMF显示出显着的差异，表明当前星系形成建模和校准框架的潜在限制，和/或系统的差异和恒星质量函数的观测之间的不一致。
2022-11-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
Modelling the large scale structure of the Universe as a function of cosmology and baryonic physics
我们提出并测试了一个框架，该框架模拟了宇宙中质量的三维分布，作为宇宙学和天体物理参数的函数。我们的方法结合了两种不同的技术：一个重新标度算法，修改宇宙学的引力只有N体模拟，和重子化算法，模仿的天体物理过程引起的重子，如恒星形成和AGN反馈的影响。我们展示了这种方法如何能够准确地再现重子的各种国家的最先进的流体动力学模拟（EAGLE，插图，插图-TNG，地平线-AGN，和OWLS，宇宙-OWLS和BAHAMAS）的物质功率谱的影响，从非常大到小，高度非线性尺度，k= 5小时/百万秒差距，从z=0到z=2的百分比水平。我们强调，由于算法的大量优化，我们可以获得这些预测的任意重子模型和宇宙学（包括大质量中微子和动态暗能量模型）几乎可以忽略不计的CPU成本。因此，这种方法对于宇宙学数据分析是足够有效的。有了这些工具在手，我们探索的非线性质量功率谱的宇宙学和天体物理参数之间的简并。我们的发现表明，在边缘化重子物理学之后，从弱引力透镜推断出的宇宙学约束应该适度退化。
2020-01-17 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Impact of Baryonic Effects on the Dynamical Masses Inferred Using Satellite Kinematics
Yale University（耶鲁大学）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
本文提出了一种校正卫星动力学推断中恒星效应的方法，发现恒星弹射导致暗物质晕质量推断的偏差，影响范围在1%-8%之间。
2026-02-20 astro-ph.GA
Exploring extensions to the standard cosmological model and the impact of baryons on small scales
有人声称宇宙学的标准模型（LCDM）不能很容易地解释相对小尺度上的大量观测，这激发了对标准模型的扩展。在这里，我们介绍了一套新的宇宙学模拟，系统地探讨了三个合理的扩展：温暖的暗物质，自相互作用的暗物质，和运行的标量光谱指数的密度波动。当前的观测约束用于指定这些扩展附带的附加参数。我们研究了大范围的小尺度上的可观测指标，包括晕质量函数，密度和圆速度分布，卫星subhaloes的丰度，和晕浓度。对于任何给定的度量，扩展之间可以存在显著的退化。然而，在细节上，不同的扩展有定量不同的质量和径向依赖性，这表明在一系列尺度上的多探针方法可以用来打破简并性。我们还表明，在不同的扩展（相比标准模型）的径向密度分布的相对影响收敛到显着更小的半径比绝对配置文件。我们使用EAGLE和ARTEMIS模拟的重子物理的影响，推导出的宇宙学趋势进行比较。重子物理学和宇宙学变化之间也存在显著的简并（两者对某些观测量有相似的幅度效应）。由于固有的不确定性，无论是在建模的星系形成物理和扩展LCDM，一个系统的和同时的探索都是非常必要的。
2020-07-09 astro-ph.CO astro-ph.GA
Cosmological back-reaction of baryons on dark matter in the CAMELS simulations
University of Connecticut（康涅狄格大学）；Flatiron Institute（平顿研究所）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Yale University（耶鲁大学）；University of Cambridge（剑桥大学）
CAMELS 模拟研究 baryons 对暗物质的反作用，发现暗物质密度在中心区域增加，外围减少，且受反馈机制和宇宙学参数影响显著。
2026-01-09 astro-ph.CO astro-ph.GA
The effect of baryons in the cosmological lensing PDFs
随着高质量数据的快速增长，观测宇宙学正在经历一个独特的宏伟时刻。但是，为了更好地利用这一时刻，数据分析工具必须跟上步伐。理解重子物质对大尺度结构的影响是宇宙学面临的挑战之一。在这项工作中，我们深入研究了重子物理对不同透镜统计的影响。利用Magneticum Pathfinder模拟套件，我们表明，发光物质对点源的1点透镜统计的影响是显着的，增强的概率与$μ>3$放大的对象由$2$的一个因素和发生多个图像的一个因素$5-500$取决于源的红移和大小。我们还讨论了透镜统计对光源角分辨率的依赖性。我们的结果和方法经过仔细测试，以保证我们的不确定性比这里提出的影响小得多。
2018-05-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
From EMBER to FIRE: predicting high resolution baryon fields from dark matter simulations with Deep Learning
流体动力学模拟提供了一个强大的，但计算昂贵的方法来研究宇宙结构形成中的暗物质和重子的相互作用。在这里，我们介绍了模拟重子富集（EMBER）深度学习框架，以基于仅暗物质模拟来预测重子场，从而降低计算成本。EMBER包括两个网络架构，U-Net和Wasserstein生成对抗网络（WGANs），用于预测来自暗物质场的二维气体和HI密度。我们将条件WGAN设计为随机仿真器，以便可以从相同的暗物质输入中采样多个目标场。对于训练，我们结合了宇宙体积和放大流体动力学模拟从现实环境中的反馈（火）项目，以代表一个大范围的尺度。我们的基准WGAN模型再现的气体和HI功率谱在10%的精度下降到~10千秒差距尺度。此外，我们调查的能力，EMBER预测高分辨率重子场从低分辨率暗物质输入通过上采样技术。作为一个实际的应用，我们使用这种方法来模拟高分辨率HI地图的暗物质模拟的L=100 Mpc/h的共动宇宙盒。暗物质晕的气体含量和由EMBER预测的HI柱密度分布与大体积宇宙学模拟和丰度匹配模型的结果符合得很好。我们的方法提供了一个计算效率高，随机模拟器，用于增强暗物质只有物理上一致的重子场的地图模拟。
2022-03-31 astro-ph.CO astro-ph.GA
Profiles of cosmic filaments since z=4.0 in cosmological hydrodynamical simulation
很大一部分低红移的重子仍然没有被探测到。大多数失踪的重子被认为存在于大尺度的宇宙细丝中。了解暗条中重子的分布对于寻找失踪的重子是至关重要的。我们在宇宙流体动力学模拟中研究了自$z=4.0$以来的宇宙细丝的性质，着重于垂直于细丝棘的密度和温度分布。我们的定量评估证实了$z=2$后粗而突出的细丝的快速生长。我们发现，自$z=4.0$以来，纤维的局部线密度与纤维的局部直径存在相关性。在不同宽度的暗条中，暗物质和重子气体的平均密度分布都具有自相似性，可以用等温单β模型描述。典型气体温度随丝宽的增加而增加，对于宽度为$D_{fil} \gtrsim 4.0 \rm{Mpc}$的丝，典型气体温度高于$10^6$ K，这将是利用热Sunyaev-Zel'dovich（SZ）效应寻找丢失重子的最佳目标.在含有$D_{fil} \gtrsim 4.0 \rm{Mpc}$的暗条中，从边界到内核区域的温度显著升高，这可能是由于吸积激波的加热，而含有$D_{fil}< 4.0 \rm{Mpc}$的暗条中的温度升高平缓。
2021-07-19 astro-ph.CO astro-ph.GA
Simultaneous modelling of matter power spectrum and bispectrum in the presence of baryons
我们证明，重子化算法，取代粒子在重力模拟根据物理动机的处方，可以同时捕获重子物理学的影响，对2和3点统计的问题。具体来说，我们表明，我们的重子化算法的实现共同适合的变化引起的重子的功率谱和等边双谱上的尺度高达k < 5 h/Mpc和红移z<2，在六个不同的宇宙学流体动力学模拟。我们的拟合的准确性通常是1%的功率谱，等边和挤压双谱，这在某种程度上降低到3%的模拟与极端的反馈处方。我们的结果支持重子化方法的物理假设，并鼓励他们在解释弱引力透镜和其他宇宙学观测。
2020-09-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
Cosmological baryon transfer in the SIMBA simulations
我们提出了一个在宇宙学模拟中描述重子相对于暗物质的大尺度运动的框架，只需要初始条件和最终状态的模拟。这是使用的扩散度量，量化的距离在最终条件之间的最初相邻的粒子，并通过分析最终晕相对于其暗物质组件定义的初始拉格朗日区域的重子含量。应用这一框架的SIMBA宇宙学模拟，我们表明，40%（10%）的宇宙学重子已经移动了$> 1h^{-1}~ {\rm Mpc}^{-1}$（$3h^{-1}~ {\rm Mpc}^{-1}$）的$z=0$，主要是由于气体卷吸由AGN提供动力的喷流，与重子移动到$12h^{-1}~ {\rm Mpc}^{-1}$远离在极端情况下。由于流体动力、辐射冷却和反馈过程，重子与暗物质成分的动力学解耦。因此，在$z=0$的给定晕中，只有60%的气体含量来自其拉格朗日区域，大致与晕质量无关。质量范围为$M_{\rm vir} = 10^{12}$ -$10^{13}{\rm M}_\odot$的典型晕圈只保留其拉格朗日区域中最初所含气体的20%。我们发现，在一个典型的银河系质量晕的气体含量的20%可能起源于另一个晕的暗物质所定义的区域。这种拉格朗日重子间的转移可能对环星系介质中气体和金属的起源以及星系形成的半解析模型和“放大”模拟具有重要意义。
2019-10-01 astro-ph.GA
On the impact of baryons on the halo mass function, bias, and cluster cosmology
Università di Trieste（的里雅斯特大学）；INAF – Osservatorio Astronomico di Trieste（意大利国家天体物理研究所的里雅斯特天文台）；IFPU – Institute for Fundamental Physics of the Universe（宇宙基础物理研究所）；INFN – Sezione di Trieste（意大利国家核物理研究所的里雅斯特分部）；University Observatory Munich（慕尼黑大学天文台）；Max-Planck-Institut fur Astrophysik（马克斯·普朗克天体物理学研究所）；Núcleo de Astrofísica e Cosmologia & Departamento de Física, Universidade Federal do Espírito Santo（圣埃斯皮里图联邦大学天体物理学与宇宙学中心及物理系）；Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro（里约热内卢联邦大学物理研究所）
本文研究了守恒物质对星系团的影响及其对团簇宇宙学应用的影响，利用磁力模拟套件展示守恒物质对暗物质质量函数的间接影响，并指出忽略守恒效应会改变高灵敏度观测的宇宙学参数推断。
2026-03-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Halo expansion in cosmological hydro simulations: towards a baryonic solution of the cusp/core problem in massive spirals
冷暗物质模型的一个明确预测是在所有质量尺度上存在尖状暗物质晕密度分布。这是不符合观察到的旋转曲线的旋涡星系，挑战小尺度上，否则成功的CDM范例。本文采用高分辨率的宇宙流体动力学模拟方法研究了耗散过程对类银河天体（M~ 1 e12 Msun）中暗物质内部分布的影响。我们的模拟包括超新星反馈，以及大质量恒星在爆炸成为超新星之前的辐射压力的影响。增加恒星反馈的结果在膨胀的暗物质晕，而不是收缩相对于N体模拟。重子能够擦除暗物质的尖形分布，在一个巨大的银河状晕的中心几千秒差距处产生一个平坦的、核心的、暗物质密度分布。的配置文件是很好的拟合Burkert配置文件，拟合参数与观察一致。此外，我们得到平坦的旋转曲线以及扩展，指数恒星盘配置文件。虽然我们获得的恒星盘仍然部分太厚，不像MW薄盘，但这项初步研究表明，重子分量中有足够的能量可以改变大质量盘星系中的暗物质分布，为长期存在的尖点与核心问题提供了可能的解决方案。
2011-11-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
Cosmological simulations of the same spiral galaxy: the impact of baryonic physics
恒星形成和超新星反馈在星系形成中的相互作用是理解星系演化的关键因素。由于这些过程发生在小尺度上，因此有必要建立子网格模型，以恢复宇宙学模拟所达到尺度上的演化和环境效应。我们模拟居住在银河系（MW）大小的晕在宇宙学环境中改变SN反馈和恒星形成的子网格模型相同的螺旋星系。我们测试施密特定律和多自由落体为基础的恒星形成延迟冷却反馈或机械反馈的组合。我们在36 Mpc的放大框中达到35 pc的分辨率。为此，我们使用的代码RAMSES与气体湍流的时间和跟踪恒星形成气体的局部流体动力学特征的实施。最后，我们比较了红移为0的星系与全球和星际介质的观测MW和本地的螺旋星系。模拟结果与观测结果进行了成功的比较。然而，不同的星系形态从不同的数值实现。我们强调的重要性，详细建模的恒星形成和反馈过程，特别是当增加模拟的分辨率。未来的改进可以减轻我们在不同的亚网格模型下模拟星系中表现出的简并性。
2022-09-14 astro-ph.CO astro-ph.GA
The large-scale environment from cosmological simulations II: The redshift evolution and distributions of baryons
根据Cui等人2018年关于z = 0时大尺度环境（LSE）分类的论文（以下简称论文I），我们将我们的分析推向更高的红移，并研究LSE的演化和其中的重子分布。我们的目标是研究重子如何影响LSE作为红移的函数。与论文I一致，重子模型对所有研究的红移的LSE的影响可以忽略不计。我们进一步验证了在论文I中得到的结论，即气网是总物质的无偏示踪剂-在高红移时甚至更好。通过主要根据温度来分离气体，我们发现大约40%的气体存在于所谓的温热星系际介质（WHIM）中。WHIM中的气体质量分数随着红移而减少，特别是从z = 1（29%）到z = 2.1（10%）。通过将WHIM气体分为四个大尺度环境（即空洞、片层、细丝和结），我们发现大约一半的WHIM气体位于细丝中。虽然WHIM中的总气体质量随着红移而减少，但在不同的LSE中WHIM的质量分数似乎没有变化。
2019-03-12 astro-ph.CO astro-ph.GA
Baryonic and dark matter distribution in cosmological simulations of spiral galaxies
我们研究了三个银河系（MW）大小的晕的宇宙学流体动力学模拟，包括与暗物质（DM）的比较。我们发现我们的模拟星系有趣的MW样功能之一。由于一致调整的恒星形成率和超新星的反馈，我们得到一个扩展的磁盘和一个平坦的旋转曲线与一个令人满意的圆速度和合理的DM密度在太阳附近。模拟观测方法，重新推导了恒星质量，得到了质量比降低50%以上的恒星-晕质量比.我们展示了重子和暗物质之间的相互作用，它首先通过恒星形成而收缩，然后通过反馈过程而核心化。事实上，我们报告了一个前所未有的观察到的DM密度分布的中央核心相结合的绝热收缩在较大的星系半径的影响。获得的岩心通常为$\sim$ 5 kpc大。此外，这也影响了太阳半径处的DM密度。在我们的模拟最相似的MW，密度从0.23 GeV/cm $^3$在暗物质只运行到0.36 GeV/cm $^3$（球壳）或0.54 GeV/cm $^3$（圆环）在流体动力学运行。在研究暗晕时，亮卫星中的暗物质也受到重子过程的影响，呈现出有核的轮廓，而暗卫星则是尖的。我们发现一个移动的质量相比，DM-只模拟和获得，在较低的MW质量范围内的晕，一个明亮的卫星分布可比的MW球状矮星系。
2014-12-05 astro-ph.CO astro-ph.GA
Baryon-dark matter scattering and first star formation
最近对天空平均21厘米宇宙学信号的探测表明，这种吸收比基于标准模型的最大允许值更强。对于需要较冷的原始气体的一种解释是，由于非引力散射，重子和暗物质流体之间发生了能量转移。在这里，我们探讨了原始气体的热演化，坍缩形成第三族（Pop III）恒星，当这种能量转移包括在内。执行一系列的单区计算，我们发现，在恒星的演化结果更大的质量比标准模型，提供的暗物质是由21厘米观测推断的最佳拟合参数描述。另一方面，暗物质参数空间的重要部分可以被宇宙历史中足够早形成大质量波普III星的要求排除在外。否则，就无法建立起在z >~ 17处产生强Wouthuysen-Field耦合所需的辐射本底，而这种耦合被认为是解释21 cm吸收特征的依据。有趣的是，来自第一颗恒星在高密度下形成的物理学的独立约束，指向了暗物质性质的类似狭窄范围。这个探索性的研究，后续的自我一致的三维模拟更严格的推导。
2018-07-24 astro-ph.CO astro-ph.GA
Dark Matter Annihilation Feedback in cosmological simulations I: Code convergence and idealised halos
我们描述并测试了一个新的暗物质湮灭反馈（DMAF）计划，已实施到著名的宇宙学模拟代码\textsf{GADGET-2}。在这里考虑的模型中，暗物质可以经历自湮灭/衰变成辐射和重子。这些产物将能量沉积到周围的气体粒子中，然后暗物质/重子流体在重力和流体动力学的作用下自洽地演化。我们目前的测试，这种新的反馈实现的情况下，理想化的暗物质晕与气体成分的晕质量，浓度和湮灭率的范围。对于某些暗物质模型，DMAF抽空气体的能力在质量较低的浓缩晕中得到增强，其中注入的能量与其引力结合能相当。因此，我们预期最强烈的暗物质湮灭的迹象会通过它们的重子分数和恒星形成历史而印刻在浓缩矮星系的重子结构上。最后，我们提出了第一个自洽DMAF宇宙箱模拟的初步结果表明，小尺度的子结构被洗出大的湮灭率。
2017-07-21 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Decoding the cosmological baryonic fluctuations using localized fast radio bursts
本文通过测量定位快速射电暴前景星系数密度，发现 DM_cosmic 与星系密度显著正相关，首次提供宇宙学重子在约 6 Mpc 尺度上存在涨落的统计证据。
2025-05-06 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
The impact of baryons on the direct detection of dark matter
银河系晕中暗物质粒子的空间和速度分布会影响在寻找暗物质时预期观察到的信号。直接探测实验的结果通常被假设为暗物质的简单等温分布，即标准晕模型（SHM）。然而，由于实际星系复杂的引力坍缩和合并历史，人们对这个简单模型的有效性持怀疑态度。在本文中，我们比较SHM的星系形成的宇宙学流体动力学模拟的结果，调查是否SHM是一个很好的代表性的真实WIMP分布的直接检测数据的分析。我们从MaGICC宇宙学模拟中研究了两个类银河星系：（a）只考虑暗物质的模拟，（b）考虑重子物理的模拟。包含重子驱动的DM晕的形状变得更加球形，并使暗物质粒子的速度分布各向异性较小，特别是在大的日心速度，从而使SHM更好地适合。我们还注意到，我们没有发现一个显着的盘状旋转暗物质组件中的两个星系晕与重子，我们检查，这表明暗盘是不是一个通用的预测宇宙流体动力学模拟。我们的结论是，在太阳附近，SHM实际上是一个很好的近似真实的暗物质分布在这些宇宙学模拟（重子），这是银河系的合理表示，因此也可以用于暗物质直接检测计算的目的。
2016-11-07 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Fountain pattern of baryon cycle revealed in galaxy ecosystems
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Nanjing University（南京大学）；University of Massachusetts, Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）；Nanjing Normal University（南京师范大学）；Xiamen University（厦门大学）；Durham University（杜伦大学）
本文提出叠加方法，从星系生态系统的重子场中揭示出规则的喷泉式循环模式，并与观测一致，为连接模拟与观测提供框架。
2026-09-21 astro-ph.GA
Cosmological simulations of the same spiral galaxy: satellite properties, the role of baryonic physics and star formation history in shaping dark matter cores/cusps
本研究通过Mochima宇宙学模拟，揭示重子反馈和恒星形成历史共同塑造子晕暗物质轮廓的多样性，表明“多样性问题”源于反馈与引力环境互动，而非冷暗物质模型失效。
2025-09-09 astro-ph.GA
Robust marginalization of baryonic effects for cosmological inference at the field level
Princeton University（普林斯顿大学）；Flatiron Institute（熨斗研究所）；Columbia University（哥伦比亚大学）；University of Connecticut（康涅狄格大学）
我们对神经网络进行训练，以根据包含CAMELS项目数千次流体动力学模拟的总质量表面密度的$(25\,h^{-1}{\rm Mpc})^2$ 2D地图执行无可能性推理。我们表明，网络可以提取信息超越一点函数和功率谱从所有解决尺度（$\gtrsim 100\,h^{-1}{\rm kpc}$），同时执行一个强大的边缘化重子物理场的水平：该模型可以推断的值$Ω_{\rm m} (\pm 4\%)$和$σ_8 (\pm 2.5\%)$从模拟完全不同的用于训练它。
2021-09-21 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
The Milky Way total mass profile as inferred from Gaia DR2
我们确定银河系（MW）的质量分布推断拟合物理动机模型的盖亚DR 2银河系旋转曲线和其他数据。使用各种流体动力学模拟的MW质量晕，我们表明，重子的存在引起的收缩的暗物质（DM）分布在内部区域，r<20 kpc。我们提供了一个解析表达式，涉及重子分布的DM晕配置文件的变化。对于我们的星系，收缩增加了封闭的DM晕质量的因素约1.3，2和4的径向距离为20，8和1千秒差距，分别相比，一个未收缩的晕。忽略这种收缩会导致推断的晕质量和浓度的系统偏差。我们提供了一个最好的拟合收缩NFW晕模型的MW旋转曲线，匹配的数据非常好。最佳拟合的DM晕质量，$M_{200}^{\rm DM}=0.97_{-0.19}^{+0.24}\times10^{12} M_\odot$，和浓度前的重子收缩$9.4_{-2.6}^{+1.9}$，这是接近的中位数晕质量-浓度关系预测$Λ$ CDM。推断的总质量，$M_{200}^{\rm total}=1.08_{-0.14}^{+0.20} \times 10^{12} M_\odot$，是在最近的测量很好的协议。该模型给出了一个MW恒星质量为$5.04_{-0.52}^{+0.43}\times10^{10} M_\odot$，并推断出在太阳位置的DM密度为$ρ_{\odot}^{\rm DM}=8.8_{-0.5}^{+0.5}\times10^{-3} M_\o…
2020-04-16 astro-ph.GA
The baryon cycle in modern cosmological hydrodynamical simulations
本研究对比了EAGLE、IllustrisTNG、SIMBA三套主流宇宙模拟的重子循环，发现它们虽对z≈0星系性质预测一致，但反馈外流尺度差异显著，为观测检验和下一代模拟模型提供了基础。
2024-07-09 astro-ph.GA
