Populating cosmological simulations with galaxies using the HOD model

Abstract

El propósito de la tesis es presentar un método con el que construir catálogos de galaxias virtuales poblando simulaciones de N-cuerpos usando recetas basadas en el modelo ``Halo Occupation Distribution (HOD)''. Los catálogos generados cumplen una serie de propiedades observadas de las galaxias, tales como la función de luminosidad, el diagrama color-magnitud y la distribución espacial en función de la luminosidad y del color. Los datos observados provienen del ``Sloan Digital Sky Survey (SDSS)''. Se describe el marco teórico en el que se basa la producción de los catálogos, tanto el ``Halo model'' como el modelo HOD. Nuestros catálogos se construyen poblando con galaxias los catálogos de halos generados a partir de las simulaciones de N-cuerpos de materia oscura ``Marenostrum Institut de Ciències de l'Espai (MICE)''. Caracterizamos el catálogo de halos usado como input calculando la función de masa, la función de correlación a dos puntos y el bias lineal a gran escala de los halos. El modelo HOD proporciona recetas para poblar los halos con galaxias. Este modelo puede ser parametrizado de diversas maneras. En nuestro caso comenzamos generando catálogos de galaxias usando las recetas del modelo HOD propuestas por Skibba & Sheth en 2009. Debido a que el catálogo generado no se ajusta correctamente a las observaciones, investigamos de manera analítica el cálculo de dos parámetros del modelo HOD, Mmin y M1 (asumimos α=1), usando únicamente dos condiciones: la densidad media en número de galaxias y su bias. Luego calculamos los parámetros del modelo HOD que mejor ajustan la distribución espacial de las galaxias en función de la luminosidad mediante la construcción de un grid de catálogos que comprenden un amplio rango de tres parámetros del modelo HOD, Mmin, M1 y α. Para poder ajustar las observaciones es necesaria la introducción de nuevos ingredientes al modelo: la técnica ``SubHalo Abundance Matching (SHAM)'' y un perfil NFW modificado. Se crea un único catálogo que cumple al mismo tiempo la distribución espacial de galaxias para todas las luminosidades y todos los colores usando como input el catálogo de halos calculado del ``snapshot'' a redshift z=0 de la simulación ``MICE Grand Challenge''. El catálogo se construye siguiendo un nuevo algoritmo en el que se introducen algunas modificaciones: ``scatter'' en la relación entre la luminosidad de la galaxia central y la masa del halo, Mh, el parámetro M1 del modelo HOD se modela en función de Mh, y se incluye una tercera componente Gaussiana (en lugar de dos), para describir el diagrama color-magnitud. Se calcula la función de luminosidad y el bias de las galaxias lineal del catálogo generado. También se muestra el efecto que producen las velocidades peculiares de las galaxias en la distribución espacial de las galaxias, y la función de correlación angular en la escala de las oscilaciones acústicas de los bariones. Finalmente y brevemente se describen algunas de las actuales aplicaciones de los catálogos usados en los proyectos PAU y DES, en los que se incluyen características específicas para cada una de las galaxias como son las propiedades morfológicas, la magnitud en 42 filtros estrechos y la deformación provocada por el ``shear'' gravitacional.

This thesis presents a method to build mock galaxy catalogues by populating N-body simulations using prescriptions based upon the halo occupation distribution model (HOD). The catalogues are constructed to follow some global local properties of the galaxy population already observed, such as the luminosity function, the colourmagnitude diagram and the clustering as a function of luminosity and colour. The observed data constraints come from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). The theoretical framework in which the production of the catalogues is based on, the halo model and the HOD, are described. Our mock catalogues are built from halo catalogues extracted from the Marenostrum Institut de Ci`encies de l’Espai Nbody dark matter simulations (MICE). We characterize our input halo catalogues by computing their halo mass function, two-point correlation function and linear large scale halo bias. The HOD provides prescriptions of how galaxies populate haloes. The HOD can be parameterized in several ways. We start by following the HOD recipes given by Skibba & Sheth 2009 to generate galaxy catalogues. Since the luminosity function of the catalogue does not fit observations, we investigate an analytical derivation of two HOD parameters, Mmin and M1 (α is assumed to be 1), by only using two observed constraints: the galaxy number density and bias. Then, a grid of 600 mock galaxy catalogues that covers a wide range of values of the three HOD parameters, Mmin, M1 and α, is generated to obtain the best-fit HOD parameters that match the observed clustering of galaxy luminosity threshold samples. As we cannot match observations we introduce additional ingredients: the SubHalo Abundance Matching (SHAM) and a modified NFW density profile. A unique mock galaxy catalogue that follows at the same time the clustering at all luminosities and colours is produced using the halo catalogue extracted from the snapshot at z=0 of the MICE Grand Challenge run. The catalogue is built by following a new algorithm in which several modifications are introduced: scatter in the halo mass - central luminosity relation, the HOD parameter M1 is set as a function of Mh, and three Gaussian components (instead of only two) are included to describe the colour-magnitude distribution. A derivation of the luminosity function and the linear galaxy bias of the mock catalogue is shown. How galaxy velocity affects the galaxy clustering and an estimation of the angular correlation function at the BAO scale are presented too. Finally, different versions of the catalogue currently used in PAU and DES projects, which include specific characteristics such as shear information or 42 different magnitudes in narrow band filters and also morphological properties for each galaxy, are briefly described.