[論文レビュー] A multitracer analysis for the eBOSS galaxy sample based on the effective field theory of large-scale structure

Ruiyang Zhao, Xiaoyong Mu+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy参考文献 123被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、有効場理論による大規模構造（EFTofLSS）を用いて、eBOSS DR16の明るい赤い銀河（LRG）および発光線銀河（ELG）サンプルのマルチトレーサー全形状解析を実施した。ボリューム効果を軽減し、デゲネラシーを解消するためにジェフリーズ事前分布とガウス事前分布を組み合わせた結果、単一トレーサー解析に比べてσ₈の制約が27.3%厳しくなった。その結果、H₀ = 70.0 ± 2.3 km s⁻¹ Mpc⁻¹、Ωₘ = 0.317⁺⁰.⁰¹⁷₋₀.⁰²¹、σ₈ = 0.787⁺⁰.⁰⁵⁵₋₀.⁰⁶²、S₈ = 0.809⁺⁰.⁰⁶⁴₋₀.⁰⁷⁸が得られ、Planck 2018の結果と整合的である。

ABSTRACT

We perform a multitracer full-shape analysis in Fourier space based on the effective field theory of large-scale structure (EFTofLSS) using the complete Sloan Digital Sky Survey IV (SDSS-IV) extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) DR16 luminous red galaxy (LRG) and emission line galaxy (ELG) samples. We study in detail the impact of the volume projection effect and different prior choices when doing the full-shape analysis based on the EFTofLSS model. We show that adopting a combination of Jeffreys prior and Gaussian prior can mitigate the volume effect and avoid exploring unphysical regions in the parameter space at the same time, which is crucial when jointly analysing the eBOSS LRG and ELG samples. We validate our pipeline using 1000 eBOSS EZmocks. By performing a multitracer analysis on mocks with comparable footprints, we find that cosmological constraints can be improved by $\sim10-35$ per cent depending on whether we assume zero stochastic terms in the cross power spectrum, which breaks the degeneracy and boosts the constraints on the standard deviation of matter density fluctuation $σ_8$. Combining with the Big Bang Nucleosynthesis (BBN) prior and fixing the spectral tilt $n_s$ to Planck value, our multitracer full-shape analysis measures $H_0=70.0\pm2.3~{\mathrm{km}}~{\mathrm{s}}^{-1}{\mathrm{Mpc}}^{-1}$, $Ω_m=0.317^{+0.017}_{-0.021}$, $σ_8=0.787_{-0.062}^{+0.055}$ and $S_8=0.809_{-0.078}^{+0.064}$, consistent with the Planck~2018 results. In particular, the constraint on $σ_8$ is improved beyond that obtained from the single tracer analysis by $18$ per cent, or by $27$ per cent when assuming zero stochastic terms in the cross power spectrum.

研究の動機と目的

• eBOSS DR16銀河サンプルからの宇宙論的制約を、EFTofLSSフレームワーク内でのマルチトレーサー全形状解析を用いて向上させること。
• マルチトレーサークラスタリング解析におけるパラメータ推定に及ぼすボリューム投影効果および事前分布選択の影響を調査すること。
• 1000個のeBOSS EZmockを用いたパイプラインの妥当性検証と、現実的な調査領域における性能評価。
• 特にσ₈に対するマルチトレーサー解析による制約改善を、確率的項によるデゲネラシーの解消を通じて定量化すること。
• 将来の調査（例：DESI）に向けた、信頼性が高く公開可能な分析パイプラインの提供。

提案手法

• 分析では、LRGおよびELGトレーサーの赤方偏移空間パワー スペクトルを記述するため、EFTofLSSモデルを用い、非線形補正項および確率的パラメータを組み込んだ。
• EFT補正項にジェフリーズ事前分布、バイアスパラメータにガウス事前分布を組み合わせ、物理的に不適切なパラメータ領域の抑制とボリューム効果の軽減を実現した。
• k_max = 0.20 h Mpc⁻¹までをカバーするkモードを用いて、フーリエ空間で全形状尤度を計算し、宇宙定数とショットノイズを適切にモデル化した。
• スペクトル指数n_sをPlanck 2018の値に固定した上で、すべてのバイアスおよび確率的パラメータについて周辺化することで、宇宙論的制約を導出した。
• 実データと同等の調査領域を持つ1000個のeBOSS EZmockを用いて、パイプラインの妥当性を検証した。
• 同様の条件下で、将来の調査を想定したDESI風の予測を、マックスを用いて実施した。

Figure 1: Footprint of LRG (red) and ELG (blue) samples in the North Galactic Cap (NGC) and South Galactic Cap (SGC) used in this analysis.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 具体的にジェフリーズ事前分布とガウス事前分布を用いた場合、マルチトレーサーEFTofLSS解析における宇宙論的パラメータ推定にどのような影響を与えるか？
• RQ2 マルチトレーサー解析は、単一トレーサー解析に比べてσ₈、H₀、S₈の統計的不確実性をどの程度低減するか？
• RQ3 全形状EFTofLSSモデリングにおいて、事前分布の選択によってボリューム投影効果を効果的に軽減できるか？
• RQ4 クロスパワー スペクトルにおける確率的項の仮定が、宇宙論的制約に与える影響は何か？
• RQ5 同様のEFTofLSSフレームワークを用いたDESI風のマルチトレーサー調査では、宇宙論的制約にどの程度の改善が期待できるか？

主な発見

• ジェフリーズ事前分布とガウス事前分布の組み合わせにより、共同でLRGとELGを分析する際のボリューム投影効果が効果的に軽減され、物理的に不適切なパラメータ空間領域の回避が達成された。
• マルチトレーサー全形状解析により、単一LRG解析に比べてフォーマル・オブ・メリット（FoM）が62.7%向上し、ベースライン解析ではσ₈の不確実性が27.3%低減された。
• クロスパワー スペクトルにおける確率的項をゼロと仮定すると、σ₈の制約改善は40%にまで上昇し、DESI風の予測ではH₀とΩₘについてもそれぞれ30%の改善が得られた。
• 最終的な宇宙論的制約は、H₀ = 70.0 ± 2.3 km s⁻¹ Mpc⁻¹、Ωₘ = 0.317⁺⁰.⁰¹⁷₋₀.⁰²¹、σ₈ = 0.787⁺⁰.⁰⁵⁵₋₀.⁰⁶²、S₈ = 0.809⁺⁰.⁰⁶⁴₋₀.⁰⁷⁸であり、Planck 2018の結果と整合的である。
• 改善の主な要因は、確率的項と宇宙論的パラメータのデゲネラシーを解消することであり、宇宙定数キャンセレーションによるものではないことが示された。
• 1000個のEZmockを用いた検証が成功し、GitHubを通じて公開されたため、再現性が保たれ、将来的にDESIや他の調査への応用が可能である。

Figure 2: Power spectrum multipoles measured from eBOSS DR16 LRG and ELG data. Shadowed bands indicate the $1\sigma$ regions evaluated from 1000 EZmocks. Solid lines denote the best-fit curves from our baseline analysis by performing a joint fit to all power spectrum measurements in both NGC and SGC