[논문 리뷰] Euclid preparation. TBD. Galaxy power spectrum modelling in real space

Euclid Collaboration, A Pezzotta외 247명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 유클리드의 스펙트로스코픽 조사 준비를 위해 실공간 은하 스펙트럼을 모델링하기 위한 펌터베이티브 은하 비편향 모델의 정확도를 평가한다. 특히 효과적 장력 이론의 대규모 구조(EFTofLSS) 내에 있는 오일러형 비편향 전개와 라그랑주 펌터베이션 이론-시뮬레이션 융합 접근법을 대상으로 한다. 두 모델 모두 kmax = 0.45 h Mpc⁻¹까지 우주론적 파arameter(h, ωc)를 유사한 정밀도로 안정적으로 제약할 수 있으며, 조건부 비편향 매개변수를 고정하면 모델 차원이 감소하지만 제약에 편향을 주지 않으며, 경미하게 비선형 영역(1 ≲ z ≲ 2) 내에서 통계적 능력을 향상시킨다.

ABSTRACT

We investigate the accuracy of the perturbative galaxy bias expansion in view of the forthcoming analysis of the Euclid spectroscopic galaxy samples. We compare the performance of an Eulerian galaxy bias expansion, using state-of-art prescriptions from the effective field theory of large-scale structure (EFTofLSS), against a hybrid approach based on Lagrangian perturbation theory and high-resolution simulations. These models are benchmarked against comoving snapshots of the Flagship I N-body simulation at $z=(0.9,1.2,1.5,1.8)$, which have been populated with H$α$ galaxies leading to catalogues of millions of objects within a volume of about $58\,h^{-3}\,{ m Gpc}^3$. Our analysis suggests that both models can be used to provide a robust inference of the parameters $(h, ω_{ m c})$ in the redshift range under consideration, with comparable constraining power. We additionally determine the range of validity of the EFTofLSS model in terms of scale cuts and model degrees of freedom. From these tests, it emerges that the standard third-order Eulerian bias expansion can accurately describe the full shape of the real-space galaxy power spectrum up to the maximum wavenumber $k_{ m max}=0.45\,h\,{ m Mpc}^{-1}$, even with a measurement precision well below the percent level. In particular, this is true for a configuration with six free nuisance parameters, including local and non-local bias parameters, a matter counterterm, and a correction to the shot-noise contribution. Fixing either tidal bias parameters to physically-motivated relations still leads to unbiased cosmological constraints. We finally repeat our analysis assuming a volume that matches the expected footprint of Euclid, but without considering observational effects, as purity and completeness, showing that we can get consistent cosmological constraints over this range of scales and redshifts.

연구 동기 및 목표

• 유클리드 스펙트로스코픽 조사를 위한 은하 스펙트럼 이론 모델의 정합성을 검증하고, 실공간 클러스터링에 집중한다.
• 고해상도 N-바디 시뮬레이션과 비교하여, 특히 EFTofLSS에 기반한 펌터베이티브 은하 비편향 전개의 정확성과 강건성을 평가한다.
• 체계적 오차를 최소화하면서 우주론적 제약 능력을 극대화하는 최적의 스케일 컷과 모델 복잡도(자유도)를 규명한다.
• 물리적으로 타당한 관계에 따라 비편향 매개변수를 고정했을 때 우주론적 추론과 투영 효과에 미치는 영향을 시험한다.
• 관측 체계적 오차 없이, 유클리드의 예상 영역을 반영한 축소된 조사 영역에서의 모델 성능을 평가한다.

제안 방법

• z = 0.9, 1.2, 1.5, 1.8에서의 플래그십 I N-바디 시뮬레이션의 공칭 거리 스크래치를 사용하여, Hα 방출 은하로 채워진 몇백만 개의 객체를 가진 모의 카탈로그를 생성한다.
• EFTofLSS 내에서 제3차 오일러형 비편향 전개를 적용하며, 국소 및 비국소 비편향 매개변수, 물질 반복항, 그리고 샷노이즈 보정을 포함한다.
• EFTofLSS 예측을 고해상도 시뮬레이션과 라그랑주 펌터베이션 이론을 융합한 하이브리드 모델과 비교한다.
• 스케일 컷을 적용하여 모델 유효성과 통계적 유의성을 평가하기 위해 가우시안 공분산 행렬을 사용하여 우도 추론을 수행한다.
• tidal 비편향 매개변수(bΓ3 및 bG2)를 물리적 관계에 고정하여 모델 강건성을 시험하고, 자유 매개변수 사례와의 제약을 비교한다.
• 유클리드 유사 조사 영역을 시뮬레이션하기 위해 공분산 행렬을 재스케일링하여 분석을 반복하며, 통계 정밀도와 부피 손실에 대한 민감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EFTofLSS 기반의 오일러형 비편향 전개는 1 ≲ z ≲ 2 범위 내에서 kmax = 0.45 h Mpc⁻¹까지 실공간 은하 스펙트럼의 전체 형태를 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ2 물리적으로 타당한 관계에 따라 토션 비편향 매개변수를 고정하면 우주론적 제약과 모델 강건성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 우주론적 추론을 위한 최적의 모델 복잡도(자유도)와 제약 능력(FoM)의 균형은 무엇인가?
• RQ4 특히 비선형 영역 근처에서 비편향 모델링의 체계적 오차는 적당한 스케일과 적당한 적응도로 증가하는가?
• RQ5 모델이 유클리드의 예상 영역을 반영한 조사 영역에 적용되었을 때, 얼마나 오랫동안 편향 없는 우주론적 제약을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• EFTofLSS 내 표준 제3차 오일러형 비편향 전개는 kmax = 0.45 h Mpc⁻¹까지 실공간 은하 스펙트럼의 전체 형태를 측정 정밀도 1% 이내로 정확히 기술한다.
• 물리적으로 타당한 관계에 따라 토션 비편향 매개변수 bΓ3를 고정하면 편향 없는 우주론적 제약를 얻을 수 있으며, 이는 전체 자유 매개변수 모델 대비 도표의 미적분(FoM)을 1.5에서 2배로 증가시킨다.
• 두 토션 비편향 매개변수를 모두 고정한 구성은 저 redshift 영역에서 편향된 제약을 초래하지만, bΓ3만 고정한 경우 강건성이 유지되며, kmax ≲ 0.3 h Mpc⁻¹ 범위에서 상대적 FoM 향상이 집중된다.
• 라그랑주 펌터베이션 이론과 고해상도 시뮬레이션을 융합한 하이브리드 모델은 1 ≲ z ≲ 2 범위에서 (h, ωc)를 제약하는 데서 EFTofLSS와 유사한 성능을 보인다.
• 공분산 행렬을 예상 유클리드 조사 영역에 맞게 재스케일링한 경우에도, 모든 테스트 스케일과 redshift 범위에서 우주론적 제약는 68% 신뢰구간 내에서 기준치와 일치한다.
• 매개변수 고정을 통한 모델 자유도 감소는 편향을 유도하지 않으며, 특히 bΓ3만 고정할 경우 FoM 향상을 향상시키며, 고차원 매개변수 공간으로 인한 투영 효과를 완화하는 데 기여한다.