$z>7$ 星系的宇宙方差：来自 BlueTides 的预测

在未来十年，包括 JWST 和 WFIRST 在内的新一代望远镜将探测首批星系与类星体形成时期，并开辟结构形成的最后前沿。近期的模拟与观测均表明这些星系具有强成团性（大尺度偏袒 $\gtrsim6$），因此具有显著的宇宙方差。本工作中，我们使用 \texttt{BlueTides}——最大体积的星系形成宇宙学模拟，来直接估计当前与未来巡天的宇宙方差。鉴于其分辨率与体积，\texttt{BlueTides} 可在巡天面积 $\sim0.1\ \mathrm{arcmin}^2$ 至 $\sim 10~\mathrm{deg}^2$ 范围内探测星等 $M_{UV}\sim-16$ 到 $M_{UV}\sim-22$ 的 $z>7$ 星系的偏袒与宇宙方差。在此区间内，宇宙方差随巡天面积/体积以幂律下降，指数介于 $\sim-0.25$ 到 $\sim-0.45$ 之间。对于计划中的 $10~\mathrm{deg}^2$ WFIRST 视场，宇宙方差为 $3\%$ 到 $10\%$。即将开展的 JWST 中/深场巡天面积可达 $A\sim100\ \mathrm{arcmin}^2$，其宇宙方差将在 $\sim 20-50\%$ 范围。透镜巡天具有最高宇宙方差 $\gtrsim 40\%$；在直至 $z\sim11$ 范围内 $M_{UV}\lesssim-16$ 星系的宇宙方差 $\lesssim100\%$。在更高红移如 $z\sim12~(14)$，需要有效体积 $\gtrsim(8~\mathrm{Mpc}/h)^3$（$\gtrsim(12\ \mathrm{Mpc}/h)^3$）才能将宇宙方差限制在 $100\%$ 以内。最后，我们发现宇宙方差大于泊松方差，并在所有当前与未来巡天中构成总不确定性的主导成分。我们以简单拟合函数及公开发布的在线宇宙方差计算器（CV_AT_COSMIC_DAWN）形式给出计算结果。