High-precision weak gravitational lensing predictions with the MillenniumTNG simulations

Ferlito, Fulvio (2025): High-precision weak gravitational lensing predictions with the MillenniumTNG simulations. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Der Gravitationslinseneffekt, das heißt die Ablenkung des Lichts durch Masseninhomogenitäten entlang der Sichtlinie, hat sich zu einem wichtigen Werkzeug für die Unterschung der Eigenschaften unseres Universums entwickelt. Im Bereich des so genannten “schachen Gravitationslinseneffekts” führt dieses Phänomen zu leichten, kohärenten Verzerrungen der Bilder entfernter Galaxien und bietet eine leistungsstarke Methode zur Untersuchung der zugrunde liegenden gesamten Materieverteilung, unabhängig von ihrer leuchtenden Komponente. Himmelsdurchmusterungen des schwachen Gravitationslinseneffekts, basierend etwa auf der Hyper Suprime-Cam, dem Dark Energy Survey und dem Kilo-Degree Survey, haben im letzten Jahrzehnt bereits wichtige Hinweise auf den Wert der kosmologischen Parameter, sowie Einblicke in die Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie geliefert. Die kosmologischen Himmelsdurchmusterungen der nächsten Generation, wie Euclid, das Large Synoptic Survey Telescope oder Roman werden voraussichtlich hochpräzise Daten mit einer noch nie dagewesenen Himmelsabdeckung, Winkelauflösung und Rotverschiebungstiefe liefern. Daher besteht ein Bedarf an ebenso präzisen numerischen Vorhersagen. Diese Arbeit stellt eine Reihe von umfassenden numerischen Experimenten vor, die auf dem MillenniumTNG (MTNG)-Projekt basieren, einem hoch modernen Satz von kosmologischen Simulationen, die das große Volumen der Millennium-Simulation mit dem realistischen, physikalisch motivierten Galaxienentst hungsmodell von IllustrisTNG kombinieren. Durch die Nutzung des reichhaltigen Datensatzes von MillenniumTNG zielt diese Arbeit darauf ab, die Auswirkungen einiger der wichtigsten physikalischen und numerischen Systematiken, die im Zusammenhang mit dem schwachen Gravitationslinseneffekt wichtig sind, zu quantifizieren und zu charakterisieren. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuche ich, wie sich die baryonische Physik und massenbehaftete Neutrinos auf die Beobachtungsdaten der schwachen Gravitationslinsen auswirken, indem ich Simulationen mit vollständiger Physik mit ihren Gegenstücken, die nur dunkle Materie berechnen, vergleiche. Außerdem evaluiere ich eine Varianzuntedrückungstechnik, die die Rechenkosten ohne Präzisionsverlust reduziert. Meine Ergebnisse bestätigen, dass sowohl Baryonen als auch Neutrinos einen signifikanten Einfluss auf die Gravitationslinsen-Statistiken haben, was die Notwendigkeit einer detaillierten physikalischen Modellierung in zukünftigen Bemühungen um Präzisionskosmologie unterstreicht. Diese Ergebnisse stimmen gut mit anderen führenden Simulationen überein, was die Robustheit der derzeitigen Modellierungsansätze unterstreicht. Im dritten und letzten Teil der Arbeit befasse ich mich mit der intrinsischen Ausrichtung (IA) von Galaxien, einer wichtigen astrophysikalischen Verunreinigung von Messungen des schwachen Gravitationslinseneffekts. Unter Verwendung des nahtlosen Lichtkegels der hydrodynamischen Simulation von MTNG konstruiere ich einen realistischen Galaxienkatalog und berechne sowohl die intrinsische als auch die linseninduzierte Scherung für alle Galaxien. Dies ermöglicht eine detaillierte, nicht-lineare Bewertung der Auswirkungen von IA auf verschiedene Scherungsmessgrößen. Insbesondere untersuche ich, wie sich IA auf die gängigen Linsen-Statistiken auswirken kann, wobei ich mich auf die Abhängigkeit dieser Auswirkungen von der Rotverschiebung und der stellaren Masse der Galaxien konzentriere. Meine Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung einer präzisen IA-Modellierung für künftige Himmelsdurchmusterungen mit schwachen Gravitationslinsen und zeigen, dass dieser simulationsbasierte Ansatz die bisher genaueste und robusteste Modellierung von IA bietet. Insgesamt trägt diese Arbeit zur Vorbereitung auf kosmologische Himmelsdurchmusterungen der nächsten Generation bei, indem sie hochpräzise simulationsbasierte Vorhersagen liefert, die kritische physikalische und numerische Systematiken berücksichtigen.

Abstract

Gravitational lensing, i.e. the deflection of light caused by mass inhomogeneities along the line of sight, has emerged as a key probe to investigate the properties of our Universe. In the weak regime, known as weak lensing (WL), this phenomenon leads to subtle coherent distortions in the shapes of distant galaxies, offering a powerful method to investigate the underlying total matter distribution, independent of its luminous component. WL surveys of the previous decade like the Hyper Suprime-Cam, the Dark Energy Survey and the Kilo-Degree Survey have already yielded important constraints on the cosmological parameters as well as insights into the nature of dark matter and dark energy. Next generation cosmological surveys such as Euclid, the Large Synoptic Survey Telescope, and Roman, are expected to deliver high-precision lensing data featuring unprecedented sky coverage, angular resolution, and redshift depths. Consequently, the demand for equally precise numerical predictions has become essential. This thesis presents a comprehensive set of numerical experiments based on the MillenniumTNG (MTNG) project, a state-of-the-art suite of cosmological simulations that combines the large volume of the Millennium Simulation with the high-fidelity physicallymotivated galaxy formation model of IllustrisTNG. By leveraging the rich dataset produced by MillenniumTNG, this work aims to quantify and characterize the impact of some of the most relevant physical and numerical systematics inherent in popular weak lensing statistics. In the first part of this thesis, I investigate how baryonic physics and massive neutrinos affect weak lensing observables by comparing full-physics simulations with their darkmatter- only counterparts. I also evaluate a variance suppression technique that reduces costs without a loss in precision. My findings confirm that both baryons and neutrinos have a significant impact on lensing statistics, underscoring the need for detailed physical modeling in upcoming precision cosmology efforts. These results align well with other leading simulations, supporting the robustness of current modeling approaches. In the second part, I test the robustness of the Born approximation, a common approach used in numerical WL. To do so, I develop DORIAN, a full-sky ray-tracing code which features nonuniform fast Fourier transform, a novel interpolation technique that is both faster and more accurate than traditional approaches. By applying this code to the MillenniumTNG simulations, I investigate non-Gaussian effects that arise beyond the Born approximation. The resulting differences in lensing statistics are examined in detail,providing guidance for when simplified modeling may or may not be adequate for precision cosmology. In the third and final part of the thesis, I address the intrinsic alignment (IA) of galaxies, a key astrophysical contaminant in WL measurements. Using the seamless lightcone output from the MTNG hydrodynamical simulation, I construct a realistic mock galaxy catalogue and calculate both intrinsic and lensing-induced shear for all galaxies. This allows for a detailed, non-linear assessment of IA impacts on various shear observables. In particular, I study how IA can affect popular lensing statistics, focusing on the dependence of this impact on redshift and galaxy stellar mass. These insights highlight the importance of precise IA modeling for future weak lensing surveys, and demonstrate that this simulationbased approach offers the most accurate and robust modeling of IA to date. Overall, this thesis contributes to the preparation for next-generation cosmological surveys by providing high-precision simulation-based predictions that account for critical physical and numerical systematics.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: cosmology, large-scale structure of the Universe, gravitational lensing, numerical simulations, ray-tracing, intrinsic alignment of galaxies
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. Juli 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Springel, Volker