[論文レビュー] Higher-order statistics of the large-scale structure from photometric redshifts

Eleni Tsaprazi, Jens Jasche+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、マーカフチェーンモンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いて、銀河クラスタリングデータから3次元の暗黒物質密度、径方向の特異速度、重力ポテンシャル、および光度赤方偏移の確率密度関数（PDF）を同時に推定するベイジアンフレームワークを提示する。赤方偏移の不確実性が大きく（約300 Mpc）、150 Mpcスケールでも86%のクロス相関を達成しており、2点相関関数を超える構造再構築の大幅な改善が図られている。

ABSTRACT

The large-scale structure is a major source of cosmological information. However, next-generation photometric galaxy surveys will only provide a distorted view of cosmic structures due to large redshift uncertainties. To address the need for accurate reconstructions of the large-scale structure in presence of photometric uncertainties, we present a framework that constrains the three-dimensional dark matter density jointly with galaxy photometric redshift probability density functions (PDFs), exploiting information from galaxy clustering. Our forward model provides Markov Chain Monte Carlo realizations of the primordial and present-day dark matter density, inferred jointly from data. Our method goes beyond 2-point statistics via field-level inference. It accounts for all observational uncertainties and the survey geometry. We showcase our method using mock catalogs that emulate next-generation surveys with a worst-case redshift uncertainty, equivalent to ${\sim}300$ Mpc. On scales $150$ Mpc, we improve the cross-correlation of the photometric galaxy positions with the ground truth from $28\%$ to $86\%$. The improvement is significant down to $13$ Mpc. On scales $150$ Mpc, we achieve a cross-correlation of $80-90\%$ with the ground truth for the dark matter density, radial peculiar velocities, tidal shear and gravitational potential.

研究の動機と目的

• 光度赤方偏移サーベイにおける大きな赤方偏移不確実性の下で、大規模構造を再構築する課題に対処すること。
• フィールドレベルのクラスタリング情報を利用することで、2点相関関数を超える宇宙構造推定の精度を向上させること。
• 3次元の暗黒物質密度場と個々の光度赤方偏移確率密度関数（PDF）を同時に制約すること。
• 低精度の光度赤方偏移から、特異速度、潮汐ひずみ、重力ポテンシャルなどの宇宙論的場を正確に推定すること。
• 赤方偏移精度が制限される中でも、小さなスケールで宇宙論的情報を抽出する可能性を示すこと。

提案手法

• 初期の暗黒物質密度場を現在の状態に進化させるためにラグランジュ摂動理論（LPT）に基づくフォワードモデルを用いて銀河数をシミュレートする。
• シミュレートされた銀河数と観測されたグリッド化されたデータを比較する尤度関数を採用し、サーベイの幾何学的形状とマスキングを組み込む。
• マーカフチェーンモンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いて、銀河クラスタリングから暗黒物質密度場と光度赤方偏移PDFを同時に推定する。
• 光度赤方偏移の誤差による径方向のスメアリングを考慮した赤方偏移空間の歪みモデルを組み込む。
• 任意の空間点における特異速度場を高分解能で再構築するために、シンプルキシ・イン・セル（SIC）推定器を用いる。
• フーリエ空間でポアソン方程式を解き、暗黒物質密度場から重力ポテンシャルと潮汐ひずみを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光度赤方偏移の不確実性が大きい状況下でも、銀河クラスタリングからのフィールドレベル推定が大規模構造の再構築を改善できるか？
• RQ2 暗黒物質密度場と同時に制約される光度赤方偏移PDFの精度はどの程度か？
• RQ3 光度データのみから特異速度、重力ポテンシャル、潮汐ひずみを正確に推定できるか？
• RQ4 赤方偏移不確実性よりも小さなスケールで、宇宙構造がどの程度正確に回復できるか？
• RQ5 共同推定を用いることで、標準的な光度赤方偏移と比較して、真値とのクロス相関がどの程度向上するか？

主な発見

• 150 Mpcスケールでは、光度赤方偏移銀河位置と真値との間のクロス相関が、本手法を適用する前は28%であったが、86%に向上した。
• クロス相関の向上は13 Mpcまで顕著であり、小スケールでも安定性が確認された。
• 暗黒物質密度場に関しては、150 Mpcスケールで真値と80–90%のクロス相関を達成した。
• 本手法は、150 Mpcスケールで特異速度、潮汐ひずみ、重力ポテンシャルを真値と80–90%の相関で再構築できた。
• 最悪ケースの赤方偏移不確実性が約300 Mpcであっても、個々の宇宙フィラメントや暗黒物質分布の構造を回復できた。
• 本フレームワークにより、LPTに基づく進化モデルを介して構造形成の初期条件を正確に推定できるようになった。