[論文レビュー] Systematic-free inference of the cosmic matter density field from SDSS3-BOSS data

Guilhem Lavaux, Jens Jasche+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移空間歪み、光円錐効果、選択関数、および既知・未知の系妥性を考慮した、SDSS-III/BOSS銀河データから宇宙物質密度場を再構築するためのシステムティックフリーなベイズ的前向きモデリング手法を、borgアルゴリズムを用いて提示する。主な結果は、Planck 2018弱引力レンズマップとほぼ完全に相関する物理的に妥当でバイアスのない大規模構造再構築である。

ABSTRACT

We perform an analysis of the three-dimensional cosmic matter density field traced by galaxies of the SDSS-III/BOSS galaxy sample. The systematic-free nature of this analysis is confirmed by two elements: the successful cross-correlation with the gravitational lensing observations derived from Planck 2018 data and the absence of bias at scales $k \simeq 10^{-3}-10^{-2}h$ Mpc$^{-1}$ in the a posteriori power spectrum of recovered initial conditions. Our analysis builds upon our algorithm for Bayesian Origin Reconstruction from Galaxies (BORG) and uses a physical model of cosmic structure formation to infer physically meaningful cosmic structures and their corresponding dynamics from deep galaxy observations. Our approach accounts for redshift-space distortions and light-cone effects inherent to deep observations. We also apply detailed corrections to account for known and unknown foreground contaminations, selection effects and galaxy biases. We obtain maps of residual, so far unexplained, systematic effects in the spectroscopic data of SDSS-III/BOSS. Our results show that unbiased and physically plausible models of the cosmic large scale structure can be obtained from present and next-generation galaxy surveys.

研究の動機と目的

• 大規模構造サーベイにおけるシステムティック効果が低kスケールでコズモロジー的推論をバイアスすることを克服すること。
• SDSS-III/BOSSのような深宇宙銀河サーベイから、物理的に整合性のある、システムティックフリーな宇宙物質密度場の再構築を実現すること。
• 推定された物質分布を、Planck 2018の独立した弱引力レンズ測定と照合して検証すること。
• 次世代サーベイ（例：Euclid や LSST）における偏りの主因がノイズではなくシステムティックであることを踏まえ、偏りのないコズモロジー的推論を可能にすること。
• フィラメント状の物質分布の高次統計量が、ベイズ的物理的前向きモデリングを用いて信頼性高く抽出可能であることを示すこと。

提案手法

• 宇宙構造形成の初期条件およびダイナミクスを推定するために、ベイズ的起源再構築（BORG）アルゴリズムを用いた。
• 未知のシステムティック効果に対処するため、頑健なポアソン尤度関数を採用し、推定されたパワー スペクトルのバイアスを低減した。
• 2つの解像度レベルで非線形的かつ非局所的バイアス効果を考慮するため、14パラメータ/赤方偏移ビンを有するマルチパワー銀河バイアスモデルを用いた。
• 赤方偏移依存のバイアスおよび選択効果を別々にモデル化するため、SDSS-III/BOSSデータを8つのほぼ等間隔の赤方偏移ビンに分割した。
• 11個の既知の前景テンプレートの振幅と、銀河サブサンプルごとの未知ノイズレベルを同時に推定し、汚染を補正した。
• 物理的前向きモデリングフレームワーク内で、サーベイ幾何学、光円錐効果、赤方偏移空間歪みを自己整合的に取り入れた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SDSS-III/BOSSデータから、ベイズ的物理的前向きモデリングを用いて、システムティックフリーな宇宙物質密度場の再構築が可能か？
• RQ2 頑健なポアソン尤度は、未知のシステムティック効果が大規模構造推論に与える影響をどの程度効果的に軽減するか？
• RQ3 推定された物質密度場は、Planck 2018の独立した弱引力レンズ観測とどの程度相関するか？
• RQ4 事前処理済みマップや信号優勢の手法に依存せずに、物理的に妥当でバイアスのない大規模構造モデルを回復できるか？
• RQ5 14パラメータ/赤方偏移ビンを有するマルチパワーバイアスモデルは、複数の赤方偏移ビンにわたる非線形的かつ赤方偏移に依存する銀河バイアスをどの程度正確に捉えられるか？

主な発見

• 再構築された宇宙物質密度場は、Planck 2018の弱引力レンズマップとほぼ完全に一致し、推論の物理的妥当性およびシステムティックフリー性を確認した。
• 初期条件の事後パワー スペクトルは、$k \simeq 10^{-3}-10^{-2}$ $h$ Mpc$^{-1}$ のスケールでバイアスを示さず、残留システムティックの不在を裏付けた。
• 本手法は、赤方偏移空間歪み、光円錐効果、サーベイ幾何学、および既知・未知の前景汚染物質を効果的に処理した。
• 頑健なポアソン尤度の使用により、未知のシステムティックの影響が効果的に抑制され、大規模構造のダイナミクスの誤った再構築が防がれた。
• 14パラメータ/赤方偏移ビンを有するマルチパワーバイアスモデルは、非線形的かつ非局所的バイアス効果を成功裏に捉え、再構築の忠実性を向上させた。
• 本分析では、4,000 $h^{-1}$ Mpc$^3$ の共動体積において、約15.6 $h^{-1}$ Mpcの解像度で物理的に妥当な大規模構造の再構築を達成した。北銀河円周と南銀河円周のデータを同時に処理した。