利用流体动力学模拟精确计算 Lyman-alpha 森林功率谱的新方法

我们展示了一套包含冷暗物质和重子的宇宙学 N 体模拟套件，旨在模拟高红移处通过 Lyman-$\alpha$森林探测到的低密度星际介质 (IGM) 区域。这些模拟旨在满足 BOSS 和 eBOSS 数据质量所提出的要求。它们分别使用 2x768$^3$或 2x192$^3$个粒子，覆盖的体积范围从高分辨率模拟的 (25 Mpc.h$^{-1})^3$到大体积模拟的 (100 Mpc.h$^{-1})^3$。利用拼接技术，分辨率得到进一步提升，达到相当于在 (100 Mpc.h$^{-1}$)^3 盒子尺寸中使用 2x3072$^3$= 580 亿个粒子的模拟水平，即每个气体粒子的平均质量为 1.2x10$^5$M_sun.h$^{-1}$。我们表明，由此产生的功率谱在从几 Mpc 到几十 Mpc 的整个范围内精度达到 2%。我们探索了 4 个宇宙学参数 ($n_s, \sigma_8, \Omega_m, H_0$) 和 2 个与 IGM 加热率相关的天体物理参数 ($T_0, \gamma$) 对一维透射流量功率谱的影响。通过围绕一个选定的与最新 Planck 结果一致的中心模型变化输入参数，我们构建了一个模拟网格，用于研究这六个相关参数对流量功率谱的影响。我们改进了以往的研究，不仅单独测量每个参数的影响，还探测了每对参数同时变化的影响。因此，我们在中心模型周围提供了一个包含交叉项的完整二阶展开式。我们利用通过不同宇宙学参数或不同种子获得的独立模拟检查了二阶展开式的有效性。最后，与利用 BOSS 获得的一维 Ly-$\alpha$森林功率谱的比较显示出极好的一致性。