[論文レビュー] Measurements of cosmic expansion and growth rate of structure from voids in the Sloan Digital Sky Survey between redshift 0.07 and 1.0

Alex Woodfinden, S. Nadathur+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 71被引用数 42

ひとこと要約

本研究は、スローン惑星探査計画（SDSS）データ（𝑧 = 0.07–1.0）における空洞-銀河相互相関を用いて、宇宙の膨張および構造成長を測定し、赤方偏移空間再構成を適用して選択バイアスを低減する。BAO解析と比較して、距離比 𝐷M/𝐷H の測定精度を向上させ、ΛCDM宇宙論と良好な一致を示し、空洞-銀河相互相関が強固な宇宙論的プローブであることを確立する。

ABSTRACT

We present measurements of the anisotropic cross-correlation of galaxies and cosmic voids in data from the Sloan Digital Sky Survey Main Galaxy Sample (MGS), Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) and extended BOSS (eBOSS) luminous red galaxy catalogues from SDSS Data Releases 7, 12 and 16, covering the redshift range $0.07<z<1.0$. As in our previous work analysing voids in subsets of these data, we use a reconstruction method applied to the galaxy data before void-finding in order to remove selection biases when constructing the void samples. We report results of a joint fit to the multipole moments of the measured cross-correlation for the growth rate of structure, $f\sigma_8(z)$, and the ratio $D_\mathrm{M}(z)/D_\mathrm{H}(z)$ of the comoving angular diameter distance to the Hubble distance, in six redshift bins. For $D_\mathrm{M}/D_\mathrm{H}$, we are able to achieve a significantly higher precision than that obtained from analyses of the baryon acoustic oscillations (BAO) and galaxy clustering in the same datasets. Our growth rate measurements are of lower precision but still comparable with galaxy clustering results. For both quantities, the results agree well with the expectations for a $\Lambda$CDM model. Assuming a flat Universe, our results correspond to a measurement of the matter density parameter $\Omega_\mathrm{m}=0.337^{+0.026}_{-0.029}$. For more general models the degeneracy directions obtained are consistent with and complementary to those from other cosmological probes. These results consolidate void-galaxy cross-correlation measurements as a pillar of modern observational cosmology.

研究の動機と目的

• SDSSデータにおける空洞-銀河相互相関を用いて、構造の成長率 𝑓𝜎8(𝑧) およびアールコフ＝パツィンス距離比 𝐷M(𝑧)/𝐷H(𝑧) を測定すること。
• 空洞探索における選択バイアスを軽減するため、赤方偏移空間再構成を適用すること。
• 0.07 < 𝑧 < 1.0 の範囲で、空洞に基づく宇宙論的制約が標準的な ΛCDM モデルと整合するかを検証すること。
• 空洞-銀河相互相関が、BAO や銀河クラスタリングと併せて、補助的プローブとしての強靭性を示すこと。
• MGS、BOSS、eBOSS データセットを統合的に、一貫した手法を用いて高精度な分析を実施すること。

提案手法

• 0.07 < 𝑧 < 1.0 の範囲をカバーする、SDSS MGS、BOSS、eBOSS（DR7、DR12、DR16）の銀河赤方偏移データを用いる。
• 空洞探索の前段階で、銀河カタログに対して赤方偏移空間再構成を適用し、選択関数バイアスを低減する。
• ZOBOV 空洞探索アルゴリズムと Revolver コードを用いて、空洞を同定し、空洞-銀河相互相関関数を計算する。
• 非等方的相互相関関数の多重極を測定し、6つの赤方偏移チャンクに分けた範囲で 𝑓𝜎8(𝑧) および 𝐷M(𝑧)/𝐷H(𝑧) を抽出する。
• 誤差推定をモンテカルロ銀河マockカタログから得る尤度フレームワークを用いて、多重極の同時フィットを実施する。
• 完全な 𝑁-体および近似重力のマockシミュレーションを用いて、系統的誤差を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空洞-銀河相互相関測定は、BAO や銀河クラスタリングと比較して、𝐷M/𝐷H および 𝑓𝜎8 に対する競争力のある制約を提供できるか？
• RQ2 赤方偏移空間再構成は、空洞に基づく宇宙論的測定の精度をどの程度向上させるか？
• RQ3 0.07 < 𝑧 < 1.0 の範囲で、空洞に基づく 𝐷M/𝐷H および 𝑓𝜎8 の制約は、ΛCDM 予測とどの程度一致するか？
• RQ4 この分析において、空洞探索および再構成に起因する系統的誤差は、統計的不確実性に比べて無視できる程度か？
• RQ5 空洞-銀河相互相関は、宇宙膨張および構造成長の強固で独立したプローブとして機能できるか？

主な発見

• 本分析は、同じデータセットにおける BAO 基盤の測定と比較して、距離比 𝐷M(𝑧)/𝐷H の測定精度を向上させた。
• 成長率測定の 𝑓𝜎8(𝑧) は、銀河クラスタリングによる測定と同等の精度を達成したが、信号対雑音比は低かった。
• 𝑓𝜎8 および 𝐷M/𝐷H の同時制約は、赤方偏移範囲 0.15 ≤ 𝑧 ≤ 0.69 において、平坦な ΛCDM モデルと良好に一致した。
• 平坦宇宙の仮定の下で、物質密度パラメータは Ωm = 0.337+0.026−0.029 と推定された。
• 空洞探索および再構成に起因する系統的誤差は、統計的不確実性に比べて小さく、手法の強靭性が確認された。
• 結果は、空洞-銀河相互相関が、特に低赤方偏移の幾何的テストにおいて、補助的かつ信頼できる宇宙論的パrameterプローブであることを示している。