[論文レビュー] Cosmological constraints from a joint analysis of cosmic microwave background and large-scale structure

C. Doux, Mariana Penna-Lima+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、擬似スペクトルとMCMCサンプリングを用いて、Planck CMB温度非等方性、CMBライティング、およびSDSS-III/BOSS銀河・クェーサー過密度データを統合した共同宇宙論的解析を提示する。8つのパラメータ（特にダークエネルギーの状態方程式 $w$ と全ニュートリノ質量 $Σm_ν$）を同時に制約する点で独自性を示し、片方のデータセットでは達成できない感度向上を、クロス相関が実現していることを示している。

ABSTRACT

The standard model of cosmology, {\Lambda}CDM, is the simplest model that matches the current observations, but it relies on two hypothetical components, to wit, dark matter and dark energy. Future galaxy surveys and cosmic microwave background (CMB) experiments will independently shed light on these components, but a joint analysis that includes cross-correlations will be necessary to extract as much information as possible from the observations. In this paper, we carry out a multi-probe analysis based on pseudo-spectra and test it on publicly available data sets. We use CMB temperature anisotropies and CMB lensing observations from Planck as well as the spectroscopic galaxy and quasar samples of SDSS-III/BOSS, taking advantage of the large areas covered by these surveys. We build a likelihood to simultaneously analyse the auto and cross spectra of CMB lensing and tracer overdensity maps before running Monte-Carlo Markov Chains (MCMC) to assess the constraining power of the combined analysis. We then add the CMB temperature anisotropies likelihood and obtain constraints on cosmological parameters ($H_0$, $\omega_b$, $\omega_c$, ${\ln10^{10}A_s}$, $n_s$ and $z_{re}$) and galaxy biases. We demonstrate that the joint analysis can additionally constrain the total mass of neutrinos ${\Sigma m_{ u}}$ as well as the dark energy equation of state $w$ at once (for a total of eight cosmological parameters), which is impossible with either of the data sets considered separately. Finally, we discuss limitations of the analysis related to, e.g., the theoretical precision of the models, particularly in the non-linear regime.

研究の動機と目的

• 個々の解析を超えてCMBと大規模構造データを統合することで、宇宙論的パラメータの制約を改善すること。
• 統一された尤度フレームワークを用いて、CMB温度非等方性、CMBライティング、および銀河／クェーサー過密度マップを共同で解析する可能性を検証すること。
• CMBライティングと銀河トレーサー間のクロス相関が、個別には制約不能な $w$ と $\Sigma m_\nu$ の同時制約を可能にするかどうかを評価すること。

提案手法

• CMBライティングと銀河トレーサー過密度マップの自己およびクロスパワー スペクトルを含む共同尤度関数を構築する。
• マスク処理された実空間データからパワー スペクトルを推定するために擬似スペクトルを用い、大規模だが不完全な天の川領域での解析を可能にする。
• CMB温度非等方性尤度に加えて、ライティング-トレーサークロス相関尤度を統合する。
• 宇宙論的パラメータと銀河バイアスの全事後分布を探索するためにMCMCサンプリングを実行する。
• 非線形領域における物質パワー スペクトルの非線形効果を理論的精度制限を考慮してモデル化する。
• CMBライティングと銀河トレーサーのクロス相関が、$w$ と $\Sigma m_\nu$ を含む8つの宇宙論的パラメータの制約力に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMBライティングと大規模構造トレーサーの共同解析は、個別に得られる情報よりも、宇宙論的パラメータの制約を向上させることができるか？
• RQ2 CMBライティングと銀河過密度マップ間のクロス相関は、$w$ と $\Sigma m_\nu$ に対する感度をどの程度向上させるか？
• RQ3 非線形構造形成における理論的不確実性が、最終的なパラメータ制約に与える影響は何か？
• RQ4 CMB温度非等方性のみ、または大規模構造のみの解析と比較して、共同制約はどのように異なるか？

主な発見

• CMBライティングと大規模構造トレーサーの共同解析により、個別では不可能な $w$ と $\Sigma m_\nu$ の同時制約が成功した。
• CMBライティングと銀河過密度マップ間のクロス相関の組み込みにより、宇宙論的パラメータ推定の精度が顕著に向上した。
• CMBと大規模構造の補完的情報を活用することで、$H_0$, $\Omega_b h^2$, $\Omega_c h^2$, $A_s$, $n_s$, および $z_{re}$ の制約が厳しくなった。
• 理論的不確実性が非線形領域に及ぼす影響が、パラメータ制約の最終的精度の主な制限要因であることが明らかになった。
• 共同尤度フレームワークにより、$w$ と $\Sigma m_\nu$ を含む8つの宇宙論的パラメータについて、MCMCサンプリングが安定して実行可能であり、マルチプローブ手法の有効性を示した。
• CMBと大規模構造データのクロス相関による統合が、もともとデゲネレートしていたパラメータに対する新たな感度を解き放つことを確認した。