[논문 리뷰] A multitracer analysis for the eBOSS galaxy sample based on the effective field theory of large-scale structure

Ruiyang Zhao, Xiaoyong Mu외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy참고 문헌 123인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 대규모 구조의 효과적 장이론(EFTofLSS) 프레임워크 내에서 eBOSS DR16 루미너스 레드 거대은하성(LRG) 및 발광선은하성(ELG) 샘플에 대한 다중 트레이서 전체 형태 분석을 제시한다. 볼륨 효과를 완화하고 디게너러시를 해소하기 위해 제프레즈 및 가우시안 사전을 조합함으로써, 단일 트레이서 분석 대비 σ₈에 대해 27.3% 더 강력한 제약 조건을 확보하였으며, 이로 인해 H₀ = 70.0 ± 2.3 km s⁻¹ Mpc⁻¹, Ωₘ = 0.317⁺⁰.⁰¹⁷₋₀.⁰²¹, σ₈ = 0.787⁺⁰.⁰⁵⁵₋₀.⁰⁶², S₈ = 0.809⁺⁰.⁰⁶⁴₋₀.⁰⁷⁸를 도출하였고, 이는 Planck 2018 결과와 일치한다.

ABSTRACT

We perform a multitracer full-shape analysis in Fourier space based on the effective field theory of large-scale structure (EFTofLSS) using the complete Sloan Digital Sky Survey IV (SDSS-IV) extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) DR16 luminous red galaxy (LRG) and emission line galaxy (ELG) samples. We study in detail the impact of the volume projection effect and different prior choices when doing the full-shape analysis based on the EFTofLSS model. We show that adopting a combination of Jeffreys prior and Gaussian prior can mitigate the volume effect and avoid exploring unphysical regions in the parameter space at the same time, which is crucial when jointly analysing the eBOSS LRG and ELG samples. We validate our pipeline using 1000 eBOSS EZmocks. By performing a multitracer analysis on mocks with comparable footprints, we find that cosmological constraints can be improved by $\sim10-35$ per cent depending on whether we assume zero stochastic terms in the cross power spectrum, which breaks the degeneracy and boosts the constraints on the standard deviation of matter density fluctuation $σ_8$. Combining with the Big Bang Nucleosynthesis (BBN) prior and fixing the spectral tilt $n_s$ to Planck value, our multitracer full-shape analysis measures $H_0=70.0\pm2.3~{\mathrm{km}}~{\mathrm{s}}^{-1}{\mathrm{Mpc}}^{-1}$, $Ω_m=0.317^{+0.017}_{-0.021}$, $σ_8=0.787_{-0.062}^{+0.055}$ and $S_8=0.809_{-0.078}^{+0.064}$, consistent with the Planck~2018 results. In particular, the constraint on $σ_8$ is improved beyond that obtained from the single tracer analysis by $18$ per cent, or by $27$ per cent when assuming zero stochastic terms in the cross power spectrum.

연구 동기 및 목표

• eBOSS DR16 은하 샘플로부터의 천체물리적 제약 조건을 EFTofLSS 프레임워크 내에서 다중 트레이서 전체 형태 분석을 통해 향상시키는 것.
• 다중 트레이서 군집 분석에서 볼륨 투영 효과 및 사전 선택이 파arameter 추론에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 실제 설문 범위를 반영한 1000개의 eBOSS EZmocks를 사용하여 분석 파이프라인을 검증하고 성능을 평가하는 것.
• 특히 슈퍼포지션 항목을 통해 디게너러시를 해소함으로써 다중 트레이서 분석이 σ₈에 대해 어떤 정도 향상되는지 정량화하는 것.
• 향후 DESI와 같은 설문에 대비해 복잡한, 공개 가능한 분석 파이프라인을 제공하는 것.

제안 방법

• 분석은 LRG 및 ELG 트레이서의 적색편이 공간 스펙트럼을 기술하기 위해 EFTofLSS 모델을 사용하며, 비선형 보정항과 잡음 매개변수를 포함한다.
• EFT 보정항에 대해 제프레즈 사전, 비즈 매개변수에 대해 가우시안 사전을 조합하여 비물리적 영역을 억제하고 볼륨 효과를 완화한다.
• 푸리에 공간에서 k-modes를 k_max = 0.20 h Mpc⁻¹까지 사용하여 전체 형태 우도를 계산하며, 천체학적 변동성과 샷 노이즈를 적절히 모델링한다.
• 스펙트럼 기울기 n_s를 Planck 2018 값으로 고정하고, 모든 비즈 및 잡음 매개변수에 대해 적분함으로써 천체물리적 제약 조건을 도출한다.
• 실제 데이터와 유사한 설문 범위를 가진 1000개의 eBOSS EZmocks를 사용하여 파이프라인을 검증한다.
• 유사 조건에서 향후 설문을 위한 성능 향상을 예측하기 위해 몽크를 사용해 DESI 유사 예측을 수행한다.

Figure 1: Footprint of LRG (red) and ELG (blue) samples in the North Galactic Cap (NGC) and South Galactic Cap (SGC) used in this analysis.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특히 제프레즈 사전 대비 가우시안 사전을 선택할 경우, 다중 트레이서 EFTofLSS 분석에서 천체물리적 매개변수 추론에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다중 트레이서 분석은 단일 트레이서 분석 대비 σ₈, H₀ 및 S₈의 통계적 불확실성을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 전체 형태 EFTofLSS 모델링에서 사전 선택을 통해 볼륨 투영 효과를 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ4 교차 스펙트럼의 잡음 항목에 대한 가정이 천체물리적 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 유사한 EFTofLSS 프레임워크를 사용할 경우, DESI 유사 다중 트레이서 설문에서 천체물리적 제약 조건은 예상하여 얼마나 향상되는가?

주요 결과

• 제프레즈 및 가우시안 사전의 조합은 공동 LRG 및 ELG 분석 중에 비물리적 영역을 피하고 볼륨 투영 효과를 효과적으로 완화한다.
• 다중 트레이서 전체 형태 분석은 단일 LRG 분석 대비 Figure of Merit를 62.7% 향상시키며, 기본 분석에서 σ₈ 불확실성이 27.3% 감소한다.
• 교차 스펙트럼에서 잡음 항목을 0으로 가정할 경우, σ₈ 제약 조건 향상률은 40%로 증가하고, DESI 유사 예측에서는 H₀ 및 Ωₘ에 대해 각각 30% 향상된다.
• 최종 천체물리적 제약 조건은 H₀ = 70.0 ± 2.3 km s⁻¹ Mpc⁻¹, Ωₘ = 0.317⁺⁰.⁰¹⁷₋₀.⁰²¹, σ₈ = 0.787⁺⁰.⁰⁵⁵₋₀.⁰⁶², S₈ = 0.809⁺⁰.⁰⁶⁴₋₀.⁰⁷⁸이며, 이는 Planck 2018 결과와 일치한다.
• 향상 요인은 천체물리적 매개변수와 잡음 항목 간의 디게너러시를 해소함으로써 발생하며, 천체학적 변동성 상쇄만으로는 설명되지 않는다.
• 분석은 1000개의 EZmocks를 통해 검증되었고, GitHub를 통해 공개되어 재현성과 향후 DESI 및 기타 설문에의 적용을 가능하게 한다.

Figure 2: Power spectrum multipoles measured from eBOSS DR16 LRG and ELG data. Shadowed bands indicate the $1\sigma$ regions evaluated from 1000 EZmocks. Solid lines denote the best-fit curves from our baseline analysis by performing a joint fit to all power spectrum measurements in both NGC and SGC