[논문 리뷰] Multi-wavelength spectroscopic probes: prospects for primordial non-Gaussianity and relativistic effects

Jan-Albert Viljoen, José Fonseca외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 107인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 다음 세대 21cm 강도 매핑(SKAO) 및 광학 분광계측 조사(DESI, Euclid)의 다파장 교차상관관계를 이용해 초기 우주 비정규성(fNL)과 상대론적 효과—특히 렌즈 효과에 의한 확대 및 도플러 이동—을 예측한다. 저항도 및 고진공도 조사 간의 각도 파wer 스펙트럼 Cℓ(zi, zj)을 통한 다트레이서 기법은 σ(fNL) ≈ 1.5, 도플러 효과는 S/N ≈ 8로 검출하며, 렌즈 수렴도 2% 정밀도로 측정한다. 이는 체계적 오차에 대한 강건성과 fNL 추정에서 상대론적 효과를 모델링하지 않을 경우 발생할 수 있는 편향을 고려할 필요성을 강조한다.

ABSTRACT

Next-generation cosmological surveys will observe larger cosmic volumes than ever before, enabling us to access information on the primordial Universe, as well as on relativistic effects. We consider forthcoming 21cm intensity mapping surveys (SKAO) and optical galaxy surveys (DESI and Euclid), combining the information via multi-tracer cross-correlations that suppress cosmic variance on ultra-large scales. In order to fully incorporate wide-angle effects and redshift-bin cross-correlations, together with lensing magnification and other relativistic effects, we use the angular power spectra, $C_\ell(z_i,z_j)$. Applying a Fisher analysis, we forecast the expected precision on $f_{ m NL}$ and the detectability of lensing and other relativistic effects. We find that the full combination of two pairs of 21cm and galaxy surveys, one pair at low redshift and one at high redshift, could deliver $\sigma(f_{ m NL})\sim 1.5$, detect the Doppler effect with a signal-to-noise ratio $\sim$8 and measure the lensing convergence contribution at $\sim$2\% precision. In a companion paper, we show that the best-fit values of $f_{ m NL}$ and of standard cosmological parameters are significantly biased if the lensing contribution neglected.

연구 동기 및 목표

• 미래의 21cm 및 광학 분광계측 조사 간의 다트레이서 교차상관관계를 이용해 초기 우주 비정규성 매개변수 fNL의 정밀도를 예측하는 것.
• 각도 파워 스펙트럼 Cℓ(zi, zj)을 이용해 상대론적 효과—특히 렌즈에 의한 확대 및 도플러 이동—의 검출 가능성 평가.
• 상대론적 효과를 간과했을 경우 fNL 및 우주론적 매개변수 추정에 미치는 영향 평가를 통해 잠재적 편향을 강조하는 것.
• 초대규모에서 천체의 우주 변동성과 체계적 오차를 억제하는 데 있어 다트레이서 기법의 강건성을 입증하는 것.

제안 방법

• 21cm 강도 매핑(SKAO 밴드 1 및 2)과 광학 분광계측 조사(DESI BGS, Euclid Hα) 간의 다트레이서 교차상관관계를 모델링하기 위해 각도 파워 스펙트럼 Cℓ(zi, zj)을 사용한다.
• 스케일 의존성 편향, 렌즈 확대, 도플러 이동, 상대론적 포텐셜 항을 포함한 피셔 행렬 분석을 적용하여 fNL 및 상대론적 효과에 대한 제약 조건을 예측한다.
• 관측된 수밀 밀도 대비 ∆g에서 적색이동-공간 왜곡, 확대, 상대론적 보정을 포함한 빛의 경로 효과를 모델링한다.
• 도플러 및 렌즈 효과를 검출하기 위한 최적의 트레이서 조합을 식별하기 위해 신호 대 잡음 비율 추정기 SAB를 활용한다.
• 상대론적 항의 정확한 지식이 있는 이상적인 모델링과 상대론적 진폭에 대한 불확실성에 대해 최적화하는 현실적인 경우를 모두 고려한다.
• 기준 우주론 모델로 Ωcdm0 = 0.26, H0 = 67.74 km/s/Mpc, ns = 0.967, w = −1, As = 2.142 × 10−9 를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 21cm 및 광학 분광계측 조사 간의 다트레이서 교차상관관계로 σ(fNL) < 1을 달성할 수 있는가? 이는 단일 및 다중 필드 인플레이션을 구분하는 임계값이다.
• RQ2 고진공도 해상도를 가진 분광계측 조사에서 각도 파워 스펙트럼을 통해 도플러 효과의 검출 가능성은 어떠한가?
• RQ3 21cm 및 은하 조사 간의 교차상관관계에서 렌즈 확대는 어느 정도 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ4 렌즈 및 도플러 이동과 같은 상대론적 효과를 모델링에서 간과할 경우 fNL 추정에 얼마나 큰 편향이 발생하는가?
• RQ5 다트레이서 기법은 초대규모에서 체계적 오차와 천체의 우주 변동성에 대해 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 저진공도 및 고진공도 21cm 및 은하 조사의 전체 조합은 σ(fNL) ≈ 1.5의 예측 정밀도를 달성하며, 이는 플랑크의 제약보다 3배 이상 향상된 것이다.
• 도플러 효과는 약 8의 신호 대 잡음 비율로 검출 가능하여 축적 속도 효과에 대해 매우 민감함을 보여준다.
• 렌즈 확대 효과는 전체 다트레이서 조합에서 2% 정밀도로 측정 가능하며, Hα 조사만으로도 4% 정확도를 달성한다.
• 최고 및 최저 진공도 밴드 간 상관관계에서 렌즈 기여가 지배적이며, 이는 렌즈 효과가 시야에 따라 통합된 성질을 지닌다는 데 일치한다.
• 다트레이서 방법은 조건부 오차와 밀접하게 일치하는 fNL에 대한 마진 오차를 근접함으로써 이론적 정보 한계에 도달한다.
• 상대론적 효과를 간과할 경우 fNL의 최적 적합 값과 표준 우주론적 매개변수 추정에 심각한 편향이 발생함을 함께 논문 [48]에서 입증하였다.