[논문 리뷰] Euclid Preparation IV. Impact of undetected galaxies on weak-lensing shear measurements

Euclid Collaboration, N. Martinet외 23명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 31.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 57인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 유클리드 설문에서 약한 렌즈 효과의 휘어짐 보정에 영향을 미치는 미검출 희미한 은하의 영향을 조사한다. magnitude 28까지의 희미한 은하가 포함된 유클리드 VIS 이미지 시뮬레이션을 통해, 이들의 군집화가 약 10⁻² 수준의 스크류 휘어짐 편향을 유도함을 발견하였으며, 우주론 과학에서 요구하는 10⁻⁴ 이하 잔류 편향 정확도를 확보하기 위해 보정 시뮬레이션에 그들의 군집화를 포함시켜야 한다고 결론내린다.

ABSTRACT

In modern weak-lensing surveys, the common approach to correct for residual systematic biases in the shear is to calibrate shape measurement algorithms using simulations. These simulations must fully capture the complexity of the observations to avoid introducing any additional bias. In this paper we study the importance of faint galaxies below the observational detection limit of a survey. We simulate simplified Euclid VIS images including and excluding this faint population, and measure the shift in the multiplicative shear bias between the two sets of simulations. We measure the shear with three different algorithms: a moment-based approach, model fitting, and machine learning. We find that for all methods, a spatially uniform random distribution of faint galaxies introduces a shear multiplicative bias of the order of a few times $10^{-3}$. This value increases to the order of $10^{-2}$ when including the clustering of the faint galaxies, as measured in the Hubble Space Telescope Ultra-Deep Field. The magnification of the faint background galaxies due to the brighter galaxies along the line of sight is found to have a negligible impact on the multiplicative bias. We conclude that the undetected galaxies must be included in the calibration simulations with proper clustering properties down to magnitude 28 in order to reach a residual uncertainty on the multiplicative shear bias calibration of a few times $10^{-4}$, in line with the $2 imes10^{-3}$ total accuracy budget required by the scientific objectives of the Euclid survey. We propose two complementary methods for including faint galaxy clustering in the calibration simulations.

연구 동기 및 목표

• 유클리드 우주 미션에서 검출되지 않은 희미한 은하가 약한 렌즈 효과의 휘어짐 보정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 검출 한계 이하의 희미한 은하 군집화가 유의미한 스크류 휘어짐 편향을 유도하는지 여부를 규명하기 위해.
• 검출되지 않은 은하가 존재할 경우 다양한 휘어짐 측정 알고리즘의 효과를 평가하기 위해.
• 유클리드, 와이프러스트, LSST를 위한 보정 시뮬레이션에 희미한 은하 군집화를 효과적으로 통합하는 실용적인 방법을 제안하기 위해.

제안 방법

• 공간적으로 균일하거나 군집된 분포를 가정하여 magnitude 28까지의 희미한 은하 집단이 포함되거나 포함되지 않은 시뮬레이션된 유클리드 VIS 이미지가 생성되었다.
• 모멘트 기반, 모델 피팅, 기계학습의 세 가지 휘어짐 측정 알고리즘이 적용되어 방법에 관계없이 나타나는 영향을 평가하였다.
• 실제 시뮬레이션 입력을 위해 희미한 은하의 군집 성질을 측정하기 위해 허블 초초음속심층장면(Hubble Ultra-Deep Field, HST-UDF)이 사용되었다.
• 스케일링된 휘어짐 편향은 희미한 은하를 포함하거나 제외한 시뮬레이션 간의 보정 휘어짐 변화로 정량화되었다.
• 희미한 은하 군집화를 포함시키기 위한 두 가지 보완적인 방법이 제안되었으며, 하나는 깊은 관측(예: HST-UDF) 기반이고, 다른 하나는 천체물리적 시뮬레이션 기반이다.
• 전경 은하에 의한 희미한 배경 은하의 확대 효과가 편향에 미치는 영향을 테스트한 결과, 그 영향은 무시할 수 있을 정도로 미미하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유클리드 유사 약한 렌즈 설문에서 검출되지 않은 희미한 은하가 유도하는 스크류 휘어짐 편향의 크기는 어느 정도인가?
• RQ2 허블 초초음속심층장면(HST-UDF)에서 측정된 희미한 은하 군집화가 균일한 분포와 비교해 휘어짐 보정 편향에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 모멘트 기반, 모델 피팅, 기계학습 등의 다양한 휘어짐 측정 알고리즘이 검출되지 않은 희미한 은하 존재에 대해 얼마나 반응하는가?
• RQ4 희미한 은하가 정확한 군집 성질을 가진 시뮬레이션에 포함될 경우, 휘어짐 보정의 정확도는 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ5 보정 목적을 위해 깊은 관측 또는 천체물리적 시뮬레이션을 사용하여 희미한 은하 군집화의 영향을 효과적으로 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• magnitude 28까지의 검출되지 않은 희미한 은하가 공간적으로 균일하게 분포할 경우, 약 3–5 × 10⁻³ 수준의 스크류 휘어짐 편향이 유도된다.
• 허블 초초음속심층장면(HST-UDF)에서 측정된 희미한 은하 군집화가 포함될 경우, 스크류 휘어짐 편향은 약 10⁻² 수준으로 증가한다.
• 전경 은하에 의한 희미한 배경 은하의 확대 효과는 스크류 편향에 거의 영향을 주지 않으며, 변화량이 10⁻⁴ 이하에 그친다.
• 모멘트 기반, 모델 피팅, 기계학습의 세 가지 휘어짐 측정 방법 모두 희미한 은하 존재에 대해 유사한 민감도를 보이며, 이는 효과가 천체물리적 원인에 기인하며 알고리즘 특성과는 무관하다는 것을 시사한다.
• 유클리드 미션의 잔류 스크류 편향을 몇 ×10⁻⁴ 이하로 유지하기 위해서는 magnitude 28까지의 정확한 군집 성질을 가진 희미한 은하가 보정 시뮬레이션에 포함되어야 한다.
• 희미한 은하 군집화를 통합하기 위한 두 가지 실현 가능한 방법이 제안되었으며, 하나는 깊은 관측 데이터(예: HST-UDF)를 기반으로 하고, 다른 하나는 천체물리적 시뮬레이션을 기반으로 하며, 각각 고유한 장점과 한계를 지닌다.