[論文レビュー] 21 cm intensity mapping cross-correlation with galaxy surveys: Current and forecasted cosmological parameters estimation for the SKAO

Maria Berti, Marta Spinelli+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2023

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、SKAOの21cm強度マッピングとDESIおよびEuclidの銀河赤方偏移調査の間の相互相関から、ベイズ的MCMCフレームワークを用いて宇宙論的パラメータの制約を予測する。このフレームワークではビーム効果、アックロフ・パツィンス幾何学、および天体物理学的系外要因をモデル化している。結果として、相互相関のみでH₀の制約が0.33%という準百分率レベルに達し、CMBデータと組み合わせるとプランク衛星のCMBデータと同等の精度に達する。H₀の誤差は最大5.6倍、Ωch²の誤差は最大3.2倍まで削減される。

ABSTRACT

We present a comprehensive set of forecasts for the cross-correlation signal between 21cm intensity mapping and galaxy redshift surveys. We focus on the data sets that will be provided by the SKAO for the 21cm signal, DESI and Euclid for galaxy clustering. We build a likelihood which takes into account the effect of the beam for the radio observations, the Alcock-Paczynski effect, a simple parameterization of astrophysical nuisances, and fully exploit the tomographic power of such observations in the range $z=0.7-1.8$ at linear and mildly non-linear scales ($k<0.25 h/$Mpc). The forecasted constraints, obtained with Monte Carlo Markov Chains techniques in a Bayesian framework, in terms of the six base parameters of the standard $Λ$CDM model, are promising. The predicted signal-to-noise ratio for the cross-correlation can reach $\sim 50$ for $z\sim 1$ and $k\sim 0.1 h/$ Mpc. When the cross-correlation signal is combined with current Cosmic Microwave Background (CMB) data from Planck, the error bar on $Ω_{ m c}\,h^2$ and $H_0$ is reduced by a factor 3 and 6, respectively, compared to CMB only data, due to the measurement of matter clustering provided by the two observables. The cross-correlation signal has a constraining power that is comparable to the auto-correlation one and combining all the clustering measurements a sub-percent error bar of 0.33% on $H_0$ can be achieved, which is about a factor 2 better than CMB only measurement. Finally, as a proof-of-concept, we test the full pipeline on the real data measured by the MeerKat collaboration (Cunnington et al. 2022) presenting some (weak) constraints on cosmological parameters.

研究の動機と目的

• 将来のSKAOの21cm強度マッピングとDESI/Euclidの銀河調査の間の相互相関から、宇宙論的パラメータの制約を予測すること。
• 21cm-銀河相互相関の制約力が自己パワー スペクトルやCMBデータと比べてどの程度であるかを評価すること。
• ビーム効果、アックロフ・パツィンス幾何学、および天体物理学的ネイジスパrameterを含む尤度パイプラインの開発と検証すること。
• メルカット-WiggleZの実データとの相互相関を用いてパイプラインの概念的妥当性を検証すること。

提案手法

• CosmoMCを用いたベイズ的MCMCフレームワークを用い、ΛCDMパラメータの制約を予測する。
• Cunningtonら（2022）の形式を用いて、赤方偏移空間歪みとビーム効果を含む21cm-銀河相互パワー スペクトルをモデル化する。
• アックロフ・パツィンス効果とトモグラフィー的赤方偏移ビン（z = 0.7–1.8）を組み込み、感度を向上させる。
• 天体物理学的系外要因（例：HIバイアス、非線形効果）を尤度におけるネイジスパラメータとして扱う。
• SKA-Mid単一アンテナ観測（バンド1：0.35–1.05 GHz）をシミュレートし、DESIおよびEuclidに類似した銀河クラスタリングと相互相関をとる。
• Cunningtonら（2022）の実メルカット-WiggleZ相互相関データを用いてパイプラインの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAOの21cm強度マッピングとDESIおよびEuclidの銀河調査を相互相関させることで、どの程度の宇宙論的パラメータの精度が達成可能か？
• RQ2 21cm-銀河相互相関信号は、21cm自己パワー スペクトルと比べてどの程度の制約力を持つのか？
• RQ3 プランクCMBデータと組み合わせた場合、相互相関測定がどの程度の精度向上をもたらすか？
• RQ4 天体物理学的ネイジスパラメータとビーム効果を含めた場合、予測のロバストネスはどの程度か？
• RQ5 開発された解析パイプラインは、メルカット-WiggleZ相互相関のような実データに対しても一貫した制約を出力できるか？

主な発見

• SKAOと銀河調査の間の相互相関信号は、z ∼ 1およびk ∼ 0.1 h/Mpcで信号対雑音比が約50に達する。
• 21cmプローブをすべて組み合わせた場合、相互相関のみでH₀の制約が0.33%に達し、プランク衛星の精度と同等になる。
• 相互相関とプランクCMBデータを組み合わせることで、Ωch²とH₀の誤差がそれぞれ3.2倍および5.6倍まで削減される。
• 相互相関信号は、21cm自己パワー スペクトルのみの制約力と同等のものである。
• 低信号対雑音比のため制約が弱いものの、実メルカット-WiggleZデータを用いたテストにおいても、パイプラインは一貫した宇宙論的パラメータの周辺化制約を出力する。
• 尤度に天体物理学的ネイジスパラメータを組み込むことで、予測された制約が著しく劣化せず、フレームワークのロバストネスが裏付けられる。