[논문 리뷰] 21 cm intensity mapping cross-correlation with galaxy surveys: Current and forecasted cosmological parameters estimation for the SKAO

Maria Berti, Marta Spinelli외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 01.

Radio Astronomy Observations and Technology인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 베이지안 MCMC 프레임워크를 사용하여 SKAO의 21cm 강도 매핑과 DESI 및 Euclid의 은하 적색편이 조사 간 상관관계를 통해 우주론적 매개변수 제약을 예측한다. 이 프레임워크는 빔 효과, Alcock-Paczynski 기하학, 천체물리학적 시스템성 문제를 모델링한다. 결과적으로 상관관계만으로도 H₀에 대해 0.33% 수준의 제약을 얻을 수 있으며, CMB 데이터와 조합했을 때 플랑크 CMB 데이터와 경쟁 가능하다. H₀의 오차는 최대 5.6배 감소하고, Ωch²는 최대 3.2배 감소한다.

ABSTRACT

We present a comprehensive set of forecasts for the cross-correlation signal between 21cm intensity mapping and galaxy redshift surveys. We focus on the data sets that will be provided by the SKAO for the 21cm signal, DESI and Euclid for galaxy clustering. We build a likelihood which takes into account the effect of the beam for the radio observations, the Alcock-Paczynski effect, a simple parameterization of astrophysical nuisances, and fully exploit the tomographic power of such observations in the range $z=0.7-1.8$ at linear and mildly non-linear scales ($k<0.25 h/$Mpc). The forecasted constraints, obtained with Monte Carlo Markov Chains techniques in a Bayesian framework, in terms of the six base parameters of the standard $Λ$CDM model, are promising. The predicted signal-to-noise ratio for the cross-correlation can reach $\sim 50$ for $z\sim 1$ and $k\sim 0.1 h/$ Mpc. When the cross-correlation signal is combined with current Cosmic Microwave Background (CMB) data from Planck, the error bar on $Ω_{ m c}\,h^2$ and $H_0$ is reduced by a factor 3 and 6, respectively, compared to CMB only data, due to the measurement of matter clustering provided by the two observables. The cross-correlation signal has a constraining power that is comparable to the auto-correlation one and combining all the clustering measurements a sub-percent error bar of 0.33% on $H_0$ can be achieved, which is about a factor 2 better than CMB only measurement. Finally, as a proof-of-concept, we test the full pipeline on the real data measured by the MeerKat collaboration (Cunnington et al. 2022) presenting some (weak) constraints on cosmological parameters.

연구 동기 및 목표

• 미래의 SKAO 21cm 강도 매핑과 DESI/Euclid 은하 조사 간 상관관계를 통해 우주론적 매개변수 제약을 예측하는 것.
• 21cm-은하 상관관계의 제약 능력이 자가파워 스펙트럼과 CMB 데이터에 비해 어느 정도인지 평가하는 것.
• 빔 효과, Alcock-Paczynski 기하학, 천체물리학적 부수적 매개변수를 포함한 우도 파ip라인을 개발하고 검증하는 것.
• 실제의 MeerKAT-WiggleZ 상관관계 데이터를 활용하여 개념적 실증을 위한 파ip라인 테스트를 수행하는 것.

제안 방법

• CosmoMC를 사용한 베이지안 MCMC 프레임워크를 활용하여 ΛCDM 매개변수의 제약을 예측한다.
• Cunnington 등(2022)의 형식을 사용하여 적색편이 공간 왜곡과 빔 효과를 포함한 21cm-은하 상관파워 스펙트럼을 모델링한다.
• Alcock-Paczynski 효과와 톰오그래픽 적색편이 밴딩(z = 0.7–1.8)을 통합하여 감도를 향상시킨다.
• 천체물리학적 시스템성 문제(예: HI 편향, 비선형 효과)를 우도 내의 부수적 매개변수로 간주한다.
• SKA-Mid 단일 안테나 관측을 Band 1(0.35–1.05 GHz)에서 시뮬레이션하고, DESI 및 Euclid 유사 은하 군집과 상관관계를 분석한다.
• Cunnington 등(2022)의 실제 MeerKAT-WiggleZ 상관관계 데이터를 활용하여 파이프라인을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SKAO 21cm 강도 매핑과 DESI 및 Euclid 은하 조사 간 상관관계를 통해 어떤 수준의 우주론적 매개변수 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 21cm-은하 상관관계 신호가 21cm 자가파워 스펙트럼에 비해 제약 능력에서 어느 정도인가?
• RQ3 플랑크 CMB 데이터와 조합했을 때 상관관계 측정이 제약을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 천체물리학적 부수적 매개변수와 빔 효과를 포함했을 때 예측의 탄력성은 어느 정도인가?
• RQ5 개발된 분석 파이프라인이 실제 데이터(예: MeerKAT-WiggleZ 상관관계)에 적용되었을 때 일관된 제약을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• SKAO와 은하 조사 간 상관관계는 z ∼ 1 및 k ∼ 0.1 h/Mpc에서 신호 대 잡음비 약 50을 기록한다.
• 모든 21cm 탐측기 조합을 통합했을 때 상관관계만으로도 H₀에 대해 0.33% 이내의 제약을 얻을 수 있으며, 플랑크의 정밀도와 경쟁 가능하다.
• 상관관계를 플랑크 CMB 데이터와 조합했을 때 Ωch²와 H₀의 오차가 각각 3.2배와 5.6배 감소한다.
• 상관관계 신호는 21cm 자가파워 스펙트럼만으로도 얻을 수 있는 제약 능력과 유사하다.
• 낮은 신호 대 잡음비로 인해 제약이 약한 상황이지만, 실제 MeerKAT-WiggleZ 데이터에 파이프라인을 적용했을 때 우주론적 매개변수의 일관된 보정 제약을 도출하였다.
• 우도에 천체물리학적 부수적 매개변수를 포함시켜도 예측된 제약이 유의하게 악화되지 않아, 프레임워크의 탄력성이 검증되었다.