Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Starting Cosmological Simulations from the Big Bang

Published 19 Sep 2023 in astro-ph.CO and physics.comp-ph | (2309.10865v2)

Abstract: The cosmic large-scale structure (LSS) provides a unique testing ground for connecting fundamental physics to astronomical observations. Modeling the LSS requires numerical $N$-body simulations or perturbative techniques that both come with distinct shortcomings. Here we present the first unified numerical approach, enabled by new time integration and discreteness reduction schemes, and demonstrate its convergence at the field level. In particular, we show that our simulations (1) can be initialized directly at time zero, and (2) can be made to agree with high-order Lagrangian perturbation theory in the fluid limit. This enables fast, self-consistent, and UV-complete forward modeling of LSS observables.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (49)
  1. P. Peebles, The Large-scale Structure of the Universe, Princeton Series in Physics (Princeton University Press, 1980).
  2. C. Rampf, Rev. Mod. Plasma Phys. 5, 10 (2021), arXiv:2110.06265 [astro-ph.CO] .
  3. R. E. Angulo and O. Hahn, Living rev. comput. astrophys. 8, 1 (2022), arXiv:2112.05165 [astro-ph.CO] .
  4. Ya. B. Zel’dovich, Astron. Astrophys. 5, 84 (1970).
  5. T. Buchert and J. Ehlers, Mon. Not. R. Astron. Soc. 264, 375 (1993).
  6. J. Ehlers and T. Buchert, Gen. Relativ. Gravit 29, 733 (1997), arXiv:astro-ph/9609036 [astro-ph] .
  7. C. Rampf,  J. Cosmol. Astropart. Phys. 2012, 004 (2012), arXiv:1205.5274 [astro-ph.CO] .
  8. V. Zheligovsky and U. Frisch, J. Fluid Mech. 749, 404 (2014), arXiv:1312.6320 [math.AP] .
  9. T. Matsubara, Phys. Rev. D 92, 023534 (2015), arXiv:1505.01481 [astro-ph.CO] .
  10. S. Saga, A. Taruya, and S. Colombi, Phys. Rev. Lett. 121, 241302 (2018), arXiv:1805.08787 [astro-ph.CO] .
  11. S. Colombi, Mon. Not. R. Astron. Soc. 446, 2902 (2015), arXiv:1411.4165 [astro-ph.CO] .
  12. A. Taruya and S. Colombi, Mon. Not. R. Astron. Soc. 470, 4858 (2017), arXiv:1701.09088 [astro-ph.CO] .
  13. C. Rampf and O. Hahn, Mon. Not. R. Astron. Soc. 501, L71 (2021), arXiv:2010.12584 [astro-ph.CO] .
  14. S. Saga, A. Taruya, and S. Colombi, Astron. Astrophys. 664, A3 (2022), arXiv:2111.08836 [astro-ph.CO] .
  15. J. J. M. Carrasco, M. P. Hertzberg, and L. Senatore, J. High Energy Phys. 2012 (9), 1, arXiv:1206.2926 [astro-ph.CO] .
  16. T. Buchert, Mon. Not. R. Astron. Soc. 267, 811 (1994), arXiv:astro-ph/9309055 [astro-ph] .
  17. P. Catelan, Mon. Not. R. Astron. Soc. 276, 115 (1995), arXiv:astro-ph/9406016 [astro-ph] .
  18. F. List and O. Hahn, Preprint (arXiv:2301.09655)  (2023), arXiv:2301.09655 [astro-ph.CO] .
  19. R. W. Hockney and J. W. Eastwood, Computer Simulation Using Particles (1st ed.) (CRC Press, 1988).
  20. C. Rampf, S. O. Schobesberger, and O. Hahn, Mon. Not. R. Astron. Soc. 516, 2840 (2022), arXiv:2205.11347 [astro-ph.CO] .
  21. M. Fasiello, T. Fujita, and Z. Vlah, Phys. Rev. D 106, 123504 (2022a), arXiv:2205.10026 [astro-ph.CO] .
  22. C. Rampf, Mon. Not. R. Astron. Soc. 484, 5223 (2019), arXiv:1712.01878 [astro-ph.CO] .
  23. V. Arnold, Mathematical methods of classical mechanics, Vol. 60 (Springer, 1989).
  24. A. Bravetti, H. Cruz, and D. Tapias, Ann. Phys. 376, 17 (2017), arXiv:1604.08266 [math-ph] .
  25. C. Rampf, C. Uhlemann, and O. Hahn, Mon. Not. R. Astron. Soc. 503, 406 (2021), arXiv:2008.09123 [astro-ph.CO] .
  26. S. Colombi, Astron. Astrophys. 647, A66 (2021), arXiv:2012.04409 [astro-ph.CO] .
  27. M. Feistl and P. Pickl, Preprint (arXiv:2307.06146)  (2023), arXiv:2307.06146 [math-ph] .
  28. J. S. Bagla, J. Astrophys. Astron. 23, 185 (2002), arXiv:astro-ph/9911025 .
  29. P. Bode and J. P. Ostriker, Astrophys. J. Supp. Ser. 145, 1 (2003), arXiv:0302065 [astro-ph] .
  30. O. Hahn and R. E. Angulo, Mon. Not. R. Astron. Soc. 455, 1115 (2016), arXiv:1501.01959 [astro-ph.CO] .
  31. J. Stücker, P. Busch, and S. D. White, Mon. Not. R. Astron. Soc. 477, 3230 (2018), arXiv:1710.09881 [astro-ph.CO] .
  32. A. Chaniotis and D. Poulikakos, J. Comput. Phys. 197, 253 (2004).
  33. jax-finufft: JAX bindings to the Flatiron Institute Non-uniform Fast Fourier Transform (FINUFFT) library, https://github.com/flatironinstitute/jax-finufft (2021).
  34. A. H. Barnett, J. Magland, and L. af Klinteberg, SIAM J. Sci. Comput. 41, C479 (2019), arXiv:1808.06736 .
  35. A. H. Barnett, Appl. Comput. Harmon. Anal. 51, 1 (2021), arXiv:2001.09405 .
  36. M. Fasiello, T. Fujita, and Z. Vlah, Phys. Rev. D 106, 123504 (2022b), arXiv:2205.10026 [astro-ph.CO] .
  37. S. Nadkarni-Ghosh and D. F. Chernoff, Mon. Not. R. Astron. Soc. 410, 1454 (2011), arXiv:1005.1217 [astro-ph.CO] .
  38. C. Rampf and O. Hahn, Phys. Rev. D 107, 023515 (2023), arXiv:2211.02053 [astro-ph.CO] .
  39. M. Crocce, S. Pueblas, and R. Scoccimarro, Mon. Not. R. Astron. Soc. 373, 369 (2006), arXiv:astro-ph/0606505 [astro-ph] .
  40. T. Abel, O. Hahn, and R. Kaehler, Mon. Not. R. Astron. Soc. 427, 61 (2012), arXiv:1111.3944 [astro-ph.CO] .
  41. S. Shandarin, S. Habib, and K. Heitmann, Phys. Rev. D 85, 083005 (2012), arXiv:1111.2366 [astro-ph.CO] .
  42. O. Hahn, T. Abel, and R. Kaehler, Mon. Not. R. Astron. Soc. 434, 1171 (2013), arXiv:1210.6652 [astro-ph.CO] .
  43. T. Sousbie and S. Colombi, J. Comput. Phys. 321, 644 (2016), arXiv:1509.07720 [physics.comp-ph] .
  44. J. Wang and S. D. M. White, Mon. Not. R. Astron. Soc. 380, 93 (2007), arXiv:astro-ph/0702575 .
  45. V. Springel, Mon. Not. R. Astron. Soc. 364, 1105 (2005), arXiv:0505010 [astro-ph] .
  46. O. Hahn and T. Abel, Mon. Not. R. Astron. Soc. 415, 2101 (2011), arXiv:1103.6031 [astro-ph.CO] .
  47. L. Chen, A. Bruce Langdon, and C. K. Birdsall, J. Comput. Phys. 14, 200 (1974).
  48. A. W. Appel, SIAM J. Sci. Comput. 6, 85 (1985).
  49. J. Barnes and P. Hut, Nature 324, 446 (1986).
Citations (3)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 1 like about this paper.

Sign Up for Free