Fast and accurate differentiable code of the galaxy power spectrum based on Eulerian and Lagrangian one-loop perturbation theories
Kyoto Sangyo University(京都产业大学);High Energy Accelerator Research Organization (KEK)(高能加速器研究机构)
本文提出基于JAX的星系功率谱单圈自动可微代码,支持欧拉和拉格朗日微扰理论,实现毫秒级GPU计算和0.01%精度,为首个LPT自动可微实现,适用于参数推断和原初特征研究。
2026-10-07 astro-ph.CO
Control variates from Eulerian and Lagrangian perturbation theory: Application to the bispectrum
School of Natural Sciences, Institute for Advanced Study(高等研究院自然科学院);Department of Physics, Columbia University(哥伦比亚大学物理系)
本文在欧拉和拉格朗日扰动理论中构建了扰动控制变量,并以物质双谱为例,展示了其能显著降低N体模拟的方差,实现单次模拟即可达到亚2%精度。
2026-05-22 astro-ph.CO
Coarse-grained cosmological perturbation theory: stirring up the dust model
我们在宇宙学扰动理论的背景下,在欧拉和拉格朗日框架下研究了无压自引力流体(粗粒尘埃)动力学的粗粒化效应。我们得到递归关系的欧拉扰动核的粗粒尘埃模型,将它们与标准的无压流体模型。的粗粒化的效果说明通过功率和交叉谱的密度和速度,计算到1-循环顺序。特别是,大尺度涡度功率谱,自然产生的质量加权速度来自第一原理。我们发现定性的涡度功率谱的大小,形状和谱指数与最近的测量N体模拟和大尺度结构的有效场论的结果很好的协议。为了奠定基础的应用程序的背景下,拉格朗日摄动理论,我们最后描述如何在欧拉空间中获得的内核可以映射到拉格朗日的。
2015-02-13 astro-ph.CO gr-qc
Testing standard perturbation theory and the Eulerian local biasing scheme against N-body simulations
我们测试三阶标准微扰理论(SPT)作为一个近似的非线性宇宙结构的形成。本文从两个高分辨率宇宙学模拟的初始条件出发,采用一种新的方法,用标准粒子群方法数值计算三维暗物质密度场。计算出的密度场进行比较的非线性暗物质场的模拟都逐点和统计。对于平滑尺度超过8兆秒差距/小时,它显示了良好的协议,红移0。我们提出了一个简单的拟合公式来关联线性和非线性密度对比度,该公式在百分比水平上精确地恢复了0 <= z <= 10的非线性时间演化。为了解决模拟中确定的物质场和晕之间的偏置问题,我们采用欧拉局部偏置模型(ELB),包括三阶非线性偏置。偏置参数通过拟合晕和物质密度的散点图(均来自模拟和SPT)获得。利用这些偏置参数,我们可以重建晕密度场。我们发现,这种重建是不能够捕捉所有的细节晕分布。我们研究如何以及大尺度偏差可以描述为一个常数,如果它对应于线性偏置参数b_1的局部偏置模型。我们还讨论了如何以及从重建的晕密度场的晕-晕功率谱和晕-质量互谱同意从模拟相应的统计。结果表明,虽然SPT是一个很好的近似的物质场的适当大的平滑尺度,即使在红移0,ELB模型只能解释晕密度场的一些属性。
2011-03-21 astro-ph.CO
Bootstrapping LSS perturbation theory beyond third order
研究将基于 Extended Galilean Invariance 约束的 Bootstrap 方法在 Eulerian 和 Lagrangian 空间扩展至五阶,以捕获时间非局域效应,并提出了绕过伪极点难题的方法。
2025-04-01 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Relativistic Lagrangian displacement field and tensor perturbations
我们研究了从拉格朗日坐标系到基本欧拉坐标系的纯空间拉格朗日坐标变换。我们展示了三种技术提取相对论位移场从一个给定的解决方案中的拉格朗日框架。这些技术是(a)从定义嵌入拉格朗日框架的欧拉坐标的局部集合;(b)从执行特定的规范变换;和(c)从基于ADM分裂的完全非微扰方法。后一种方法表明,这种分解是不绑定到一个特定的微扰制定的爱因斯坦方程的解决方案。相反,它可以在从拉格朗日描述到欧拉描述的非微扰坐标变化的水平上定义。研究这些不同的技术是有用的,因为它使我们能够比较和进一步发展各种近似技术,可在拉格朗日公式。我们发现,必须在相对论分析中求解引力波方程,否则相应的牛顿极限必然包含欧拉坐标系中二阶的伪非传播张量赝象.在拉格朗日坐标系下,导出了Weyl张量的磁部分,发现它不仅受到引力波的激发,而且还受到非线性坐标系拖曳引起的张量扰动的激发。我们应用我们的研究结果来计算第一次的相对论位移场,高达二阶,为$Λ$ CDM宇宙中存在的本地原始非高斯组件。最后,我们还评论最近的索赔是否违反拉格朗日框架中的质量守恒。
2014-12-14 astro-ph.CO gr-qc
Lagrangian or Eulerian; Real or Fourier? Not All Approaches to Large-Scale Structure Are Created Equal
我们提出了一个教学系统的调查的准确性欧拉和拉格朗日摄动理论的大尺度结构。我们发现,它们之间存在显着的差异,特别是当试图模拟的重子声学振荡(BAO)。我们发现,在实空间中,BAO的最佳模型是Zel'dovich近似(ZA),在z=0的红移处,模拟声峰周围的物质2-pt函数的精度<~3%。在BAO尺度附近对ZA的所有修正在实空间中都是完全微扰的。任何试图达到更高精度的尝试都需要将理论与模拟进行校准,因为需要将这些修正重新归一化。相比之下,不完全保持ZA作为其解的理论,在z=0的实空间中的声峰周围接收O(1)修正,因此在BAO周围的低红移处是可疑的收敛。作为一个例子,我们发现,一个类似的精度为3%的声学峰值的欧拉标准微扰理论(SPT)实现的线性阶仅在z~4。因此,即使当SPT是微扰的,也需要包括实空间中z<~4的回路校正。在傅立叶空间中,所有模型的表现相似,并由过密度振幅控制,从而恢复标准结果。然而,这是有代价的。实空间将BAO信号与非线性动力学干净地分离。相比之下,傅立叶空间将来自短的轻度非线性尺度的信号与来自BAO的线性信号混合到来自短尺度的非线性贡献占主导地位的水平。因此,在傅立叶空间中建立一个系统的BAO理论的希望不大。
2013-11-21 astro-ph.CO
Resummed Perturbation Theory of Galaxy Clustering
观测到的示踪物(如星系)与底层暗物质分布之间的关系对于提取宇宙学信息至关重要。由于线性偏置模型在准线性尺度下失效,非线性欧拉偏置模型(EBM)的标准微扰方法在描述星系团时不够准确。在本文中,我们讨论了这样一个模型的背景下,微扰理论,并进一步推广到包括随后的引力演化结合拉格朗日描述的星系的运动。我们为该模型构造的多点传播子也表现出类似于它们的暗物质对应物的指数阻尼,因此基于这些量的统计量的收敛性得到改善。这是通过应用近年来发展起来的暗物质场的欧拉和拉格朗日重算技术来实现的。由于继承了拉格朗日描述的星系密度演化,我们的方法自动纳入非局部性引起的引力演化后形成的示踪剂,也允许我们包括一个连续的星系形成的历史,通过时间加权平均相关量与星系形成率。
2012-03-30 astro-ph.CO
On the reach of perturbative methods for dark matter density fields
本文在大尺度结构的有效场论(EFT)的背景下研究了从拉格朗日空间到欧拉空间的映射。我们用拉格朗日微扰理论(LPT)计算拉格朗日位移,并执行从位移到密度的完全非微扰变换。当扩展到给定的阶数时,这种变换再现了相同阶数的标准欧拉微扰理论(SPT)。然而,从位移到密度的完全变换还包括高阶项。这些术语明确地恢复长波长运动,从而使所得的密度场更好地与真正的非线性密度场相关。因此,该方法的有效性机制有望扩展欧拉EFT的有效性机制,并与IR-规范化的欧拉EFT的有效性机制相匹配。因此,这种方法有效地实现了在现场水平上对IR-图形化EFT的测试。我们估计的大小随机,非微扰贡献的物质密度功率谱。我们发现在我们的最高阶计算中,在红移z=0时,密度场的功率谱在k=0.25 h/Mpc(k=0.46 h/Mpc)时以1%(10%)的精度再现。我们认为,剩余误差的主要来源是随机贡献。不幸的是,在这些尺度上,随机项还没有像在非常低的k状态下那样缩放为$k^4$。因此,模拟这种贡献可能具有挑战性。
2015-07-08 astro-ph.CO
Kinetic Isocurvature Perturbation
The University of Chicago(芝加哥大学);Ewha Womans University(梨花女子大学);Asia Pacific Center for Theoretical Physics(亚太理论物理中心);The University of Tokyo(东京大学);Chungnam National University(忠南国立大学);Korea Institute for Advanced Study(韩国高等科学研究院);Institute for Basic Science (IBS)(基础科学研究所)
研究提出动能等熵扰动机制,其特征为暗物质密度与光子密度比值恒定,而暗物质动能在空间上波动。该扰动源于非相对论性重场衰变成相对论性暗物质粒子的过程,导致大尺度密度扰动不受宇宙微波背景限制,但影响自由流尺度的空间变化,从而产生物质功率谱的斑块间变化。
2026-03-23 astro-ph.CO hep-ph
Higher-order initial conditions for mixed baryon-CDM simulations
我们提出了一种新的方法来产生高阶初始条件(IC)的宇宙学模拟,考虑到不同的重子和暗物质的演变。我们专注于其性能的数值实现和验证,基于无碰撞N体模拟和全流体动力学欧拉和拉格朗日模拟。我们在各种方面改进了以前的方法,仅限于一阶拉格朗日摄动理论(LPT)。具体来说,我们(1)将n阶LPT推广到多流体系统,允许2LPT或3LPT IC用于双流体模拟,(2)采用新的传播子微扰理论来建立与1 LPT或2LPT完全一致的欧拉码的IC,(3)证明我们的集成电路解决了以前的两个问题-通过使用粒子质量的变化进行流体模拟,消除了与预期微扰结果的虚假偏差,(4)示出了通过转向高阶PT所实现的改进与对于单流体IC所看到的那些相当,以及(5)证明了优异的(即,百分之几的水平)之间的协议欧拉和拉格朗日模拟,一旦高质量的初始条件使用。严格的发展的基础微扰理论是在一个配套文件。所有提出的算法都在Monofonic Music-2软件包中实现,我们公开提供。
2020-12-03 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Non-Adiabatic Pressure Perturbation and Non-Canonical Kinetic Terms in Multifield Inflation
对三种不同类型的模型,数值研究了两个标量场驱动的暴胀过程中非绝热压强扰动的演化。在第一个模型中,场具有标准动力学项。其他两个模型考虑功能非正则动力学项;第一个包含两个字段,这是通过他们的动力学项耦合,第二个字段中的一个字段具有标准的动力学项与其他字段是一个DBI字段。我们发现,非绝热压力扰动的演化和最终振幅强烈依赖于动力学项。
2012-11-30 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Dynamics of entropy perturbations in assisted dark energy with mixed kinetic terms
研究了双场辅助暗能量模型中熵扰动的动力学。基于辅助暗能量的情况下,其中一个标量场是次主导的早期相比,其他的时代,我们表明,在这两个领域的系统中的熵扰动往往是恒定的大尺度上的早期时代,因此生存,直到现在的时代,在辐射和物质时代的两个领域的通用演化。即使场通过动力学相互作用耦合,熵扰动的这种行为也被保留。由于对于辅助的暗能量,早期的次优势场在后期变得占主导地位,熵扰动可以显著影响宇宙中密度扰动的动力学。假设熵和曲率扰动之间存在相关性,在物质时代之后,如果熵扰动和曲率扰动的贡献符号相反,则熵扰动可以增强积分的Sachs-Wolfe(ISW)效应,否则ISW效应被抑制。对于正则标量场,由于暴胀过程中熵扰动的初始值不能足够大,熵扰动对ISW效应的影响很小。然而,在k-本质的情况下,熵扰动的初始值可以大到足以影响ISW效应,从而在CMB功率谱上留下显著的印记。
2011-02-01 astro-ph.CO
A Lagrangian effective field theory
我们继续发展了物质密度场低阶微扰子的拉格朗日宇宙学扰动理论。我们提供了一条新的途径来理解如何在拉格朗日框架和新的恢复方案中制定大尺度结构的有效场论(EFT),并将我们的结果与早期工作以及傅立叶和位形空间中的一系列高分辨率N体模拟进行比较。从EFT产生的“新”项有助于驯服小尺度物理学的微扰理论的依赖性,并提高与模拟的一致性(尽管有一个额外的自由参数)。我们发现,我们所有的模型都表现良好的规模大于约两到三倍的非线性规模,但失败的非线性规模接近。这比以前看到的范围稍小。在低红移的拉格朗日模型票价以及EFT在其欧拉公式,但在更高的$z$欧拉EFT适合的数据,以更小的尺度比图解,拉格朗日EFT。所有的微扰模型都比线性理论好。
2015-06-17 astro-ph.CO
Linearisation with Cosmological Perturbation Theory
提出了一种利用高阶拉格朗日微扰理论(LPT)线性化宇宙质量密度场的新方法。我们证明,一个给定的密度场可以表示为一个线性和非线性分量的总和,这是紧耦合到彼此的潮汐场张量的LPT框架内。线性分量对应于欧拉坐标中的初始密度场,其与总场的平均关系可以近似为对数(为最近试图找到这种分量提供理论支持)。我们还建议使用的线性化方法和连续性方程的组合,找到欧拉和拉格朗日坐标之间的映射。此外,我们注意到,这种方法打开了直接使用高阶LPT的非线性领域的可能性。我们通过将其应用于N体模拟的z~0.5密度场来测试我们的线性化方案。我们发现,线性化的全密度场可以在>~5 h^{-1}Mpc上成功恢复,分布的偏度和峰度分别降低了大约一个和两个数量级。这个分量也可以成功地在时间上追溯,在z~100处朝向初始未演化的密度场收敛。我们预计我们的研究结果的一些应用,从预测速度场的宇宙的初始条件的估计,通过改进的约束来自星系聚类通过重建方法的宇宙学参数。
2012-06-15 astro-ph.CO astro-ph.IM
Perturbation Theory Remixed: Improved Nonlinearity Modeling beyond Standard Perturbation Theory
本研究提出全新nEPT方案,通过累加微扰理论n阶密度场建模非线性密度场,在无自由参数下比传统两圈标准微扰理论更贴合N体模拟结果,可加速宇宙学密度场正演建模。
2022-08-31 astro-ph.CO
Kinetic Field Theory: Perturbation theory beyond first order
我们提出了最近的改进的微扰处理的粒子相互作用的动力学场论(KFT)的惯性Zel'dovich轨迹。KFT是在微观相空间动力学的基础上发展起来的,用于系统分析计算非线性宇宙结构的形成。我们改进现有的治疗的相互作用算子推导出一个更严格的治疗相空间轨道的粒子在膨胀的宇宙。然后,我们展示了如何将这些结果可以应用到KFT微扰理论计算修正晚时间暗物质功率谱在二阶的相互作用算子。我们发现,修改后的相互作用w.r.t.与早期的结果相比,惯性Zel'dovich轨迹改善了KFT与中间尺度上的模拟结果的一致性。此外,我们说明,包括粒子相互作用到第二阶导致系统的非线性功率谱的改善相比,一阶的结果。
2022-11-15 astro-ph.CO
Adiabatic and isocurvature perturbations in extended theories with kinetic couplings
本文研究具有非正则动力学项的双标量场扩展理论,允许动力学耦合依赖于两个场,发现曲率扰动方程不变而熵扰动有效质量改变,并给出谱指数及其跑动表达式,应用于三个现象学模型。
2023-10-16 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Phase-space perturbation theory for cosmic large-scale structure
Universität Heidelberg(海德堡大学)
本文提出一种不依赖动量累积层级截断的扰动方法,用于研究宇宙结构形成中的Vlasov-Poisson系统,通过求解Volterra型积分方程并递归计算高阶项,展示了非冷初始条件下的Eulerian标准扰动理论结果,并通过引入均匀各向同性速度分散来动态生成所有高阶动量累积项。
2026-04-13 astro-ph.CO
Modeling Biased Tracers at the Field Level
在本文中,我们测试的微扰晕偏置模型在场的水平。这种方法的优点是,如果在模拟和微扰理论计算中使用相同的初始条件,则可以在没有样本方差的情况下进行任何分析。我们写的偏置扩展在欧拉空间中的修改后的偏置算子,设计,使大批量流量自动计算,而不是微扰处理。使用这些运营商,偏差模型准确地匹配欧拉密度的N体模拟晕。的均方模型误差是接近泊松散粒噪声的晕群众的范围很广,它是相当规模独立的,与规模相关的修正成为相关的非线性尺度。相比之下,对于线性偏差,均方模型误差可以在大尺度上比泊松预测高出几个因子,并且在线性区域中已经变得依赖于尺度。我们表明,通过加权模拟晕他们的质量,模型的均方误差可以进一步减少到一个数量级,或由两个因素时,包括$60\%$质量散射。我们还测试了标准欧拉偏置模型,使用从模拟测量的非线性物质场,并表明它会导致一个更大的和更依赖于尺度的模型误差比基于微扰理论的偏置扩展。这些结果可能是特别相关的宇宙学推断方法,使用的可能性有偏见的示踪剂在字段的水平,或初始条件和BAO重建,需要一个精确的估计大规模的潜力从有偏见的示踪剂密度。
2019-07-04 astro-ph.CO
Nonperturbative collapse models for collisionless self-gravitating flows
本研究针对宇宙结构形成问题,拓展含各向异性速度弥散的欧拉与拉格朗日引力方法,通过非微扰分析平面对称情形并数值对比近似模型,发现多流区线性化拉格朗日解优于Burgers方程模型,还推导了三维最大各向异性坍缩的微扰演化主方程。
2023-10-03 astro-ph.CO
Kinetic field theory of compact systems
本文发展了无均匀各向同性假设的动理论场论,通过短程相互作用玩具模型和自引力薄片模型验证了相关方法的有效性,为平均场近似收敛分析及复杂非均匀系统应用开辟路径。
2025-09-02 astro-ph.CO
Dark matter kinetic decoupling with a light particle
我们认为,声阻尼的物质功率谱是不是一个通用的功能动力学解耦的暗物质,但即使是增强可以实现依赖于动力学解耦的性质相比,在标准的冷暗物质模型。我们考虑一个具有${\it sudden}$动力学解耦的模型,并在该模型中数值研究了${\it standard}$宇宙学背景中的宇宙学扰动。我们也给出了一个分析讨论在一个简化的设置。我们的研究结果表明,动力学解耦的性质可能有很大的影响,小尺度的密度扰动。
2017-03-07 astro-ph.CO hep-ph
Curvature perturbations from kinetic preheating after $α$-attractor inflation
该研究用高精度格点模拟考察$α$-吸引子暴胀后的动力学预加热,发现预加热场超视界等曲率扰动向曲率扰动的转化极低效,难以产生可观测效应。
2024-10-04 astro-ph.CO gr-qc hep-lat
Vector Curvaton with varying Kinetic Function
一个新的模型实现的矢量曲率范式的介绍和分析。该模型由一个单一的大质量阿贝尔矢量场,麦克斯韦型动力学项。通过假设动力学函数和质量的矢量场是适当的变化在通货膨胀期间,它表明,超视界扰动的标度不变的频谱可以产生。这些微扰可以导致宇宙的曲率微扰。如果向量场在暴胀结束时仍然是轻的,我们发现它可以在曲率扰动的谱和双谱中产生大量的统计各向异性。在这种情况下,曲率扰动的非高斯性主要是各向异性的,这将是一个可测试的预测在不久的将来。另一方面,如果在暴胀结束时矢量场是重的,则证明粒子的产生近似是各向同性的,并且矢量场本身可以引起曲率扰动,而不直接涉及任何基本的标量场。这两种可能性的参数空间被证明是相当大的。最后,玩具模型表明,所需的矢量场的质量和动力学函数的变化,可以现实地获得,没有不自然的调谐,在超重力或超弦的背景下。
2010-01-29 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Perturbations and stability conditions of k-essence and kinetic gravity braiding models in two-field measure theory
在两场测度理论框架下研究了 k-essence 和 kinetic gravity braiding 模型的宇宙学微扰,通过动能矩阵和质量本征值进行稳定性分析,发现新测度场对传播速度有显著影响,并在具体例子中揭示了不稳定性。
2022-10-13 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Using kinetic theory to examine a self-gravitating system composed of baryons and cold dark matter
我们研究了非相对论性冷暗物质的演化引力耦合重子的模式内的哈勃半径(亚视界制度)使用非动力学理论的方法在牛顿理论的领域。我们得到的总密度扰动的一般解,我们还表明,重子扰动赶上了暗物质扰动在晚些时候,这反过来又使得可能的束缚结构的形成。我们扩展了线性微扰分析考虑掉头事件,崩溃的物质,其维里化过程。
2020-06-18 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Kinetic Field Theory: Higher-Order Perturbation Theory
本文详细阐述了动力学场论(KFT)的形式主义,着重讨论了观测量的微扰确定。KFT是一种基于经典力学路径积分公式的统计非平衡经典场论,采用量子场论中发展起来的强大技术来描述经典系统。与以前的KFT工作不同,我们在最后一步对初始条件的概率分布进行积分。这显著提高了微扰处理的清晰度,并允许对中间结果进行物理解释。我们给出了一个介绍的一般框架,但专注于相互作用的$N$体系统的应用程序。专门的结果,宇宙结构的形成,我们再现的线性增长的宇宙密度波动功率谱的所有尺度上,从微观,牛顿粒子动力学单独。
2022-07-21 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Large Scale Structures in Kinetic Gravity Braiding Model That Can Be Unbraided
我们研究了动力学引力编织模型的宇宙学后果,该模型被提出作为暗能量模型的替代。动力学编织模型,我们研究的特点是由一个参数n,这对应于原来的伽利略宇宙模型,n=1。我们发现动力学编织模型的宇宙背景膨胀与Dvali-Turner模型的宇宙背景膨胀相同,当n =无穷大时,动力学编织模型的宇宙背景膨胀退化为具有宇宙学常数的标准冷暗物质模型(LCDM模型)的宇宙背景膨胀.当n= \infty时,动力学编织模型中的线性宇宙学微扰演化退化为LCDM模型的线性宇宙学微扰演化.然后,我们集中我们的研究的增长历史的线性密度扰动,以及在非线性区域的密度扰动,这可能是重要的,以区分动力学编织模型和LCDM模型时,n是有限的球形崩溃。对大尺度结构的理论预测与斯隆数字巡天的亮红星系样品的多极功率谱进行了比较。我们还讨论了未来的前景,约束动力学编织模型使用未来的红移调查,如WFMOS/SuMIRe PFS调查,以及在南极望远镜调查的集群红移分布。
2011-04-12 astro-ph.CO hep-th
Lagrangian perturbation theory for modified gravity
Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares(国家核研究研究所)
本文提出适配多类修正引力的拉格朗日微扰形式化方法,计算三阶拉格朗日位移场,解决f(R)引力等的框架滞后与红外发散问题,可推导一圈功率谱等。
2026-10-21 astro-ph.CO gr-qc
Lagrangian theory of structure formation in relativistic cosmology. IV. Lagrangian approach to gravitational waves
研究了牛顿拉格朗日微扰理论的相对论推广。在以前的工作中,扰动和解决方案所产生的空间投影的Weyl张量的引力电的一部分,给出了任何顺序的扰动,以及扩展和应用程序访问的非微扰制度。在这里,我们讨论更详细的一般一阶计划内的嘉当形式主义,包括并集中在引力波传播的物质。我们提供主方程的所有部分的拉格朗日线性化扰动传播的扰动时空,我们概述了解决方案的过程,使人们能够找到一般的解决方案。特别强调的是全局性质的拉格朗日扰动场采用Hodge-de-Rham理论的结果。我们在这里讨论如何霍奇分解涉及到标准的标量-矢量-张量分解。最后,我们证明,我们得到已知的线性扰动解决方案的标准相对论性微扰方案,通过执行两个步骤:第一,通过限制我们的解决方案的扰动,传播在一个平坦的未扰动的背景时空,第二,通过转换到欧拉背景坐标与截断的非线性项。
2017-12-29 astro-ph.CO gr-qc