[논문 리뷰] Measurements of cosmic expansion and growth rate of structure from voids in the Sloan Digital Sky Survey between redshift 0.07 and 1.0

Alex Woodfinden, S. Nadathur외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 71인용 수 42

한 줄 요약

이 연구는 스ローン 디지털 스카이 서베이 데이터(𝑧 = 0.07–1.0)에서 우주 팽창과 구조 성장의 측정을 위해 공허-은하계 상관관계를 사용하며, 선택 편향을 줄이기 위해 적색편이 공간 재구성 기법을 적용한다. 이는 BAO 분석보다 거리 비율 𝐷M/𝐷H에 대해 더 높은 정밀도를 달성하고 ΛCDM 우주론과 뛰어난 일치를 보이며, 공허-은하계 상관관계가 강력한 우주론적 측정 수단임을 입증한다.

ABSTRACT

We present measurements of the anisotropic cross-correlation of galaxies and cosmic voids in data from the Sloan Digital Sky Survey Main Galaxy Sample (MGS), Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) and extended BOSS (eBOSS) luminous red galaxy catalogues from SDSS Data Releases 7, 12 and 16, covering the redshift range $0.07<z<1.0$. As in our previous work analysing voids in subsets of these data, we use a reconstruction method applied to the galaxy data before void-finding in order to remove selection biases when constructing the void samples. We report results of a joint fit to the multipole moments of the measured cross-correlation for the growth rate of structure, $f\sigma_8(z)$, and the ratio $D_\mathrm{M}(z)/D_\mathrm{H}(z)$ of the comoving angular diameter distance to the Hubble distance, in six redshift bins. For $D_\mathrm{M}/D_\mathrm{H}$, we are able to achieve a significantly higher precision than that obtained from analyses of the baryon acoustic oscillations (BAO) and galaxy clustering in the same datasets. Our growth rate measurements are of lower precision but still comparable with galaxy clustering results. For both quantities, the results agree well with the expectations for a $\Lambda$CDM model. Assuming a flat Universe, our results correspond to a measurement of the matter density parameter $\Omega_\mathrm{m}=0.337^{+0.026}_{-0.029}$. For more general models the degeneracy directions obtained are consistent with and complementary to those from other cosmological probes. These results consolidate void-galaxy cross-correlation measurements as a pillar of modern observational cosmology.

연구 동기 및 목표

• SDSS 데이터에서 공허-은하계 상관관계를 이용해 구조 성장률 𝑓𝜎8(𝑧)와 알코프-파치니스 거리 비율 𝐷M(𝑧)/𝐷H(𝑧)를 측정한다.
• 공허 탐지에서의 선택 편향을 완화하고 측정 정확도를 향상시키기 위해 적색편이 공간 재구성 기법을 적용한다.
• 공허 기반의 우주론적 제약 조건이 0.07 < 𝑧 < 1.0 범위에서 표준 ΛCDM 모델과 일치하는지 테스트한다.
• 공허-은하계 상관관계가 BAO와 은하계 군집과의 보완적 측정 수단으로서의 강력함을 입증한다.
• 일관된 방법론을 사용해 MGS, BOSS, eBOSS 데이터셋을 종합적으로 고정밀 분석한다.

제안 방법

• 0.07 < 𝑧 < 1.0 범위를 커버하는 SDSS MGS, BOSS, eBOSS(드라이브 7, 12, 16)의 은하 적색편이 데이터를 사용한다.
• 공허 탐지 이전에 은하 카탈로그에 대해 적색편이 공간 재구성을 적용하여 선택 함수 편향을 감소시킨다.
• ZOBOV 공허 탐지기와 Revolver 코드를 사용해 공허를 식별하고 공허-은하계 상관관계 함수를 계산한다.
• 이방성 상관관계 함수의 다중극 성분을 측정하여 여섯 개인 적색편이 영역에서 𝑓𝜎8(𝑧)와 𝐷M(𝑧)/𝐷H(𝑧)를 추출한다.
• 오차 추정을 몽테카를로 은하 카탈로그를 사용해 가능도 프레임워크를 통해 다중극 성분의 공동 피팅을 수행한다.
• 시스템적 오차를 정량화하기 위해 전체 𝑁-바디 및 근사 중력 몽테카를로 시뮬레이션을 사용해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공허-은하계 상관관계 측정이 BAO 및 은하계 군집 측정과 비교해 𝐷M/𝐷H와 𝑓𝜎8에 경쟁 가능한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 적색편이 공간 재구성이 공허 기반의 우주론적 측정 정확도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 0.07 < 𝑧 < 1.0 범위에서 공허 기반의 𝐷M/𝐷H 및 𝑓𝜎8 제약 조건은 ΛCDM 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 분석에서 통계적 불확도에 비해 공허 탐지 및 재구성에서 기인하는 시스템적 오차는 무시할 만큼 작은가?
• RQ5 공허-은하계 상관관계는 우주의 팽창과 구조 성장에 대한 강력하고 독립적인 측정 수단으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 이 분석은 동일한 데이터셋에서 BAO 기반 측정보다 거리 비율 𝐷M(𝑧)/𝐷H에 대해 더 높은 정밀도를 달성한다.
• 구조 성장률 측정값 𝑓𝜎8(𝑧)는 은하계 군집 측정과 유사한 정밀도를 보이지만, 신호 대 잡음 비율은 낮다.
• 0.15 ≤ 𝑧 ≤ 0.69 범위에서 𝑓𝜎8 및 𝐷M/𝐷H의 공동 제약 조건은 평탄한 ΛCDM 모델과 매우 우아한 일치를 보인다.
• 평탄한 우주를 가정할 경우 유도된 물질 밀도 파라미터는 Ωm = 0.337+0.026−0.029이다.
• 공허 탐지 및 재구성에서 기인하는 시스템적 오차는 통계적 불확도에 비해 작으며, 방법론의 강건성을 확인한다.
• 결과는 공허-은하계 상관관계가 저적색편이 기하학적 테스트에 특히 유용한 보완적이고 신뢰할 수 있는 우주론적 파rameter 측정 수단임을 입증한다.