[논문 리뷰] Galaxy bias in the era of LSST: perturbative bias expansions

Andrina Nicola, Boryana Hadzhiyska외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 06.

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 퍼투브 관측소의 LSST Y10 설문 조사에 대해 비선형 은하 편향 모델을 영향력 있는 이론 및 효과적 장 이론 접근 방식을 사용하여 평가한다. HEFT, LPT, EPT 모델은 비퍼트루베이티브 물질 스펙트럼을 사용할 경우 $k_{\mathrm{max}}=0.4\;\mathrm{Mpc}^{-1}$까지 편향 없는 우주론적 제약 조건을 제공함을 발견하였으며, 조립 편향이 존재하더라도 마찬가지로 성립한다. 또한 소규모 구조의 응집은 주로 편향 제약 조건을 향상시키며, 우주론적 제약 조건에는 영향을 주지 않는다.

ABSTRACT

Upcoming imaging surveys will allow for high signal-to-noise measurements of galaxy clustering at small scales. In this work, we present the results of the LSST bias challenge, the goal of which is to compare the performance of different nonlinear galaxy bias models in the context of LSST Y10 data. Specifically, we compare two perturbative approaches, Lagrangian perturbation theory (LPT) and Eulerian PT (EPT) to two variants of Hybrid Effective Field Theory (HEFT), with our fiducial implementation of these models including terms up to second order in the bias expansion as well as nonlocal bias and deviations from Poissonian stochasticity. We consider different simulated galaxy samples and test the performance of the bias models in a tomographic joint analysis of LSST-Y10-like galaxy clustering, galaxy-galaxy-lensing and cosmic shear. We find both HEFT methods as well as LPT and EPT combined with non-perturbative predictions for the matter power spectrum to yield unbiased constraints on cosmological parameters up to at least a maximal scale of $k_{\mathrm{max}}=0.4 \; \mathrm{Mpc}^{-1}$ for all samples considered, even in the presence of assembly bias. While we find that we can reduce the complexity of the bias model for HEFT without compromising fit accuracy, this is not generally the case for the perturbative models. We find significant detections of non-Poissonian stochasticity in all cases considered, and our analysis shows evidence that small-scale galaxy clustering predominantly improves constraints on galaxy bias rather than cosmological parameters. These results therefore suggest that the systematic uncertainties associated with current nonlinear bias models are likely to be subdominant compared to other sources of error for tomographic analyses of upcoming photometric surveys, which bodes well for future galaxy clustering analyses using these high signal-to-noise data. [abridged]

연구 동기 및 목표

• LSST 연 10(Y10) 광학적 군집, 렌즈, 그리고 휨 데이터의 맥락에서 비선형 은하 편향 모델의 성능을 평가하기 위해.
• 퍼트루베이티브 모델(LPT, EPT)과 하이브리드 효과적 장 이론(HEFT) 변종 간의 우주론적 매개변수 복원 능력을 비교하기 위해.
• 비포isson 확률적 성분과 비국소적 편향이 우주론적 제약 조건에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특히 조립 편향이 존재할 경우 정확도를 훼손하지 않으면서 모델의 복잡성을 줄일 수 있는지 여부를 판단하기 위해.
• 소규모 은하 군집의 기여가 우주론적 매개변수 제약 조건 대비 편향 매개변수 제약 조건에 얼마나 기여하는지 정량화하기 위해.

제안 방법

• AbacusSummit 시뮬레이션에서 유래한 시뮬레이션 데이터를 사용해 LSST-Y10 유사 은하 군집, 은하-은하 렌즈, 그리고 우주적 휨을 토모그래픽으로 통합 분석하기 위해.
• 두 가지 HEFT 변종(anzu 및 BACCO)과 두 가지 퍼트루베이티브 접근 방식(LPT 및 EPT)을 포함한 네 가지 편향 모델을 구현하였으며, 모두 2차 편향 항, 비국소적 편향, 비포isson 확률적 성분을 포함한다.
• 퍼트루베이티브 모델의 표준 퍼트루베이티브 한계를 초월해 성능을 향상시키기 위해 비퍼트루베이티브 물질 스펙트럼(예: N-바디 시뮬레이션에서 유도)을 사용한다.
• 신호 대 잡음 비율이 $P(k)$ 및 $C_\ell$ 데이터 간 일관되게 유지되도록 조정된 공분산 행렬을 사용한 가우시안 우도 함수를 적용하여 상호 비교를 가능하게 한다.
• 구형 조화 함수 스펙트럼과 3차원 $P(k)$를 사용한 단일 밴드 및 적색편이 슬라이스 피팅을 수행하여 편향 및 우주론적 매개변수 제약 조건을 비교한다.
• 최적 피팅 값에서 피셔 행렬 추정치를 사용하여(여기서 $b_{s^2}=0$), 다양한 데이터 세트 및 피팅 전략 간 일관성을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퍼트루베이티브 및 HEFT 기반 편향 모델은 조립 편향이 존재하더라도 LSST-Y10 데이터에서 $k_{\mathrm{max}}=0.4\;\mathrm{Mpc}^{-1}$까지 편향 없는 우주론적 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 비포isson 확률적 성분의 포함 여부가 편향 모델 성능 및 우주론적 매개변수 복원에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 소규모 은하 군집 측정이 편향 매개변수 제약 조건에 비해 우주론적 매개변수 제약 조건에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 HEFT 및 퍼트루베이티브 모델의 복잡성을 정확도를 훼손하지 않으면서 줄일 수 있는가, 특히 조립 편향 존재 시에?
• RQ5 적색편이 밴드에 걸쳐 구형 조화 함수 $C_\ell$ 분석 결과가 3차원 $P(k)$ 분석 결과와 일관한가?

주요 결과

• 모든 네 가지 모델(LPT, EPT, anzu-HEFT, BACCO-HEFT)은 조립 편향이 존재하더라도 $k_{\mathrm{max}}=0.4\;\mathrm{Mpc}^{-1}$까지 $\sigma_8$ 및 $\Omega_c$에 대한 편향 없는 제약 조건을 제공한다.
• 모든 시뮬레이션 은하 샘플에서 비포isson 확률적 성분이 유의미하게 감지되었으며, 이는 소규모 군집을 모델링할 때 중요함을 시사한다.
• 소규모 은하 군집은 주로 편향 매개변수 제약 조건을 향상시키며, 우주론적 매개변수 제약 조건에는 영향을 주지 않는다. 이는 편향 시스템적 오차가 다른 오차들보다 열등함을 시사한다.
• HEFT 모델은 정확도를 유지하면서 복잡성을 줄일 수 있지만, 이는 일반적으로 퍼트루베이티브 모델(LPT/EPT)에는 해당되지 않으며, 성능을 유지하기 위해 전체 복잡성을 유지해야 한다.
• 구형 조화 함수 $C_\ell$ 분석 결과는 3차원 $P(k)$ 분석 결과 및 단일 적색편이 피팅 결과와 일관되며, 이는 $C_\ell$ 방법의 내부 일관성과 강건성을 확인한다.
• EPT는 $k_{\mathrm{max}}\gtrsim 0.2\;\mathrm{Mpc}^{-1}$에서 우주론적 제약 조건에 심각한 편향을 보이며, HEFT 및 비퍼트루베이티브 물질 스펙트럼을 사용한 LPT에 비해 그 적용 범위가 제한됨을 시사한다.