[논문 리뷰] Cosmological constraints from a joint analysis of cosmic microwave background and large-scale structure

C. Doux, Mariana Penna-Lima외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 14.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 편의 스펙트럼과 MCMC 샘플링을 사용하여 플랑크 CMB 온도 비균일성, CMB 렌즈링, 그리고 SDSS-III/BOSS 은하 및 활성은하핵 과밀도 데이터를 종합적으로 분석한다. 이는 어두운 에너지 상태방정식 $w$와 총 중성미온 질량 $Σm_ν$를 포함한 여덟 개의 매개변수를 동시에 유일하게 제약하는 바이며, 서로 다른 데이터 세트가 각각 달성할 수 없는 것보다 더 높은 매개변수 민감도를 획득하기 위해 교차상관관계가 기여함을 보여준다.

ABSTRACT

The standard model of cosmology, {\Lambda}CDM, is the simplest model that matches the current observations, but it relies on two hypothetical components, to wit, dark matter and dark energy. Future galaxy surveys and cosmic microwave background (CMB) experiments will independently shed light on these components, but a joint analysis that includes cross-correlations will be necessary to extract as much information as possible from the observations. In this paper, we carry out a multi-probe analysis based on pseudo-spectra and test it on publicly available data sets. We use CMB temperature anisotropies and CMB lensing observations from Planck as well as the spectroscopic galaxy and quasar samples of SDSS-III/BOSS, taking advantage of the large areas covered by these surveys. We build a likelihood to simultaneously analyse the auto and cross spectra of CMB lensing and tracer overdensity maps before running Monte-Carlo Markov Chains (MCMC) to assess the constraining power of the combined analysis. We then add the CMB temperature anisotropies likelihood and obtain constraints on cosmological parameters ($H_0$, $\omega_b$, $\omega_c$, ${\ln10^{10}A_s}$, $n_s$ and $z_{re}$) and galaxy biases. We demonstrate that the joint analysis can additionally constrain the total mass of neutrinos ${\Sigma m_{ u}}$ as well as the dark energy equation of state $w$ at once (for a total of eight cosmological parameters), which is impossible with either of the data sets considered separately. Finally, we discuss limitations of the analysis related to, e.g., the theoretical precision of the models, particularly in the non-linear regime.

연구 동기 및 목표

• 개별 분석을 넘어서 CMB와 대규모 구조 데이터를 융합하여 천체물리적 매개변수의 제약을 향상시키는 것.
• 일관된 우도 프레임워크를 사용하여 CMB 온도 비균일성, CMB 렌즈링, 그리고 은하/활성은하핵 과밀도 지도를 함께 분석하는 가능성 테스트하기.
• CMB 렌즈링과 은하 추적자 간의 교차상관관계가 $w$와 $\Sigma m_\nu$의 디게너러시를 해소하고, 개별적으로는 제약이 불가능한 동시 제약를 가능하게 하는지 평가하기.

제안 방법

• CMB 렌즈링과 은하 추적자 과밀도 지도의 자가 및 교차-스펙트럼을 포함하는 종합 우도 함수 구축.
• 가로막힌 실공간 데이터에서 편의 스펙트럼을 사용하여 마스크 처리된 대규모 천체 영역에서도 스펙트럼을 추정함으로써 분석 가능성을 확장.
• 렌즈링-추적자 교차상관 우도와 함께 플랑크 CMB 온도 비균일성 우도를 통합.
• 천체물리적 매개변수와 은하 편향에 대한 전체 사후 분포를 탐색하기 위해 MCMC 샘플링 수행.
• 비선형 영역에서 물질 스펙트럼의 비선형 효과를 이론적 정밀도 제한 사항을 고려하여 모델링.
• CMB 렌즈링과 은하 과밀도 지도 간의 교차상관관계가 $w$와 $\Sigma m_\nu$를 포함한 여덟 개의 천체물리적 매개변수에 미치는 제약 능력 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMB 렌즈링과 대규모 구조 추적자 간의 종합 분석이 각각의 탐측기에서 제공하는 것보다 천체물리적 매개변수의 제약을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 CMB 렌즈링과 은하 과밀도 지도 간의 교차상관관계가 $w$와 $\Sigma m_\nu$에 대한 민감도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 비선형 구조 형성에 대한 이론적 불확실성이 최종 매개변수 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CMB 온도 비균일성 단독 또는 대규모 구조 단독 분석과 비교해 종합 분석의 제약 결과는 어떻게 다른가?

주요 결과

• 종합 분석은 CMB 온도 비균일성 또는 대규모 구조 데이터 단독으로는 불가능한 어두운 에너지 상태방정식 $w$와 총 중성미온 질량 $\Sigma m_\nu$를 동시에 제약하는 데 성공한다.
• CMB 렌즈링과 은하 과밀도 지도 간의 교차상관관계 포함으로 천체물리적 매개변수 추정의 정밀도가 크게 향상된다.
• 다양한 탐측기에서 유래한 상호보완적 정보를 활용함으로써 $H_0$, $\Omega_b h^2$, $\Omega_c h^2$, $A_s$, $n_s$, $z_{re}$에 대한 제약이 더욱 강화된다.
• 분석 결과 이론적 불확실성이 비선형 영역에서 매개변수 제약의 최종 정밀도에 핵심적인 제약 요소로 드러났다.
• 종합 우도 프레임워크를 통해 $w$와 $\Sigma m_\nu$를 포함한 여덟 개의 천체물리적 매개변수에 대한 강력한 MCMC 샘플링이 가능해졌으며, 다중 탐측기 접근의 강력함을 입증한다.
• 결과적으로 CMB와 대규모 구조 데이터를 교차상관관계를 통해 융합함으로써 기존에 디게너러시로 인해 제약이 어려웠던 매개변수에 대한 새로운 민감도가 열림을 확인한다.