[논문 리뷰] Systematic-free inference of the cosmic matter density field from SDSS3-BOSS data

Guilhem Lavaux, Jens Jasche외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 8인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 적색편이 공간 왜곡, 빛통 효과, 선택 함수, 그리고 알려진 및 알려지지 않은 시스템적 오차를 고려하여 SDSS-III/BOSS 은하 데이터로부터 우주 물질 밀도장의 체계적 오차 없는 베이지안 정방향 모델링 접근법을 제시한다. 핵심 결과는 Planck 2018 약한 렌즈 맵과 거의 완벽한 상관관계를 보이며 물리적으로 타당하고 편향이 없는 대규모 구조 재구성이다.

ABSTRACT

We perform an analysis of the three-dimensional cosmic matter density field traced by galaxies of the SDSS-III/BOSS galaxy sample. The systematic-free nature of this analysis is confirmed by two elements: the successful cross-correlation with the gravitational lensing observations derived from Planck 2018 data and the absence of bias at scales $k \simeq 10^{-3}-10^{-2}h$ Mpc$^{-1}$ in the a posteriori power spectrum of recovered initial conditions. Our analysis builds upon our algorithm for Bayesian Origin Reconstruction from Galaxies (BORG) and uses a physical model of cosmic structure formation to infer physically meaningful cosmic structures and their corresponding dynamics from deep galaxy observations. Our approach accounts for redshift-space distortions and light-cone effects inherent to deep observations. We also apply detailed corrections to account for known and unknown foreground contaminations, selection effects and galaxy biases. We obtain maps of residual, so far unexplained, systematic effects in the spectroscopic data of SDSS-III/BOSS. Our results show that unbiased and physically plausible models of the cosmic large scale structure can be obtained from present and next-generation galaxy surveys.

연구 동기 및 목표

• 저주파수 영역에서 우주론적 추론을 휘차하는 시스템적 오차를 극복하기 위해.
• SDSS-III/BOSS와 같은 깊은 은하 조사에서 물리적으로 일관되고 체계적 오차 없는 우주 물질 밀도장 재구성 방법을 개발하기 위해.
• 추론된 물질 분포를 Planck 2018의 독립적인 약한 중력 렌즈 측정치와 검증하기 위해.
• 다음 세대 조사인 Euclid와 LSST와 같이 시스템적 오차가 노이즈보다 지배적인 상황에서 편향 없는 우주론적 추론을 가능하게 하기 위해.
• 섬세한 물질 분포의 고차 통계량이 베이지안 물리적 정방향 모델링을 통해 신뢰성 있게 추출될 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 우주의 구조 형성의 초기 조건과 역학을 추론하기 위해 베이지안 기원 재구성(BORG) 알고리즘을 사용하였다.
• 알 수 없는 시스템적 오차를 다루기 위해 강력한 포isson 우도를 적용하여 추론된 스펙트럼의 편향을 감소시켰다.
• 두 해상도 수준에서 비선형성 및 국소 외 효과를 고려하기 위해 각 적색편이 밴드당 14개 매개변수를 가진 다중-파워 은하 편향 모델을 사용하였다.
• 적색편이에 따른 편향 및 선택 효과를 별도로 모델링하기 위해 SDSS-III/BOSS 데이터를 8개의 거의 균일한 적색편이 밴드로 분할하였다.
• 11개의 알려진 전경 템플릿의 진폭과 각 은하 서브샘플의 알려지지 않은 노이즈 수준을 동시에 추론하여 오염을 보정하였다.
• 물리적 정방향 모델링 프레임워크 내에서 조사 기하학, 빛통 효과, 적색편이 공간 왜곡을 자동으로 고려했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 베이지안 물리적 정방향 모델링을 사용하여 SDSS-III/BOSS 데이터로부터 체계적 오차 없는 우주 물질 밀도장 재구성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 강력한 포isson 우도는 알려지지 않은 시스템적 오차가 대규모 구조 추론에 미치는 영향을 얼마나 효과적으로 완화하는가?
• RQ3 추론된 물질 밀도장은 Planck 2018의 독립적인 약한 렌즈 관측과 어느 정도 상관관계를 가지는가?
• RQ4 사전 처리된 맵이나 신호 지배 방법에 의존하지 않고도 물리적으로 타당하고 편향 없는 대규모 구조 모델을 회복할 수 있는가?
• RQ5 14개 매개변수를 가진 다중-파워 편향 모델은 여러 적색편이 밴드에서 비선형성 및 적색편이에 따른 진화하는 은하 편향을 얼마나 잘 포괄하는가?

주요 결과

• 재구성된 우주 물질 밀도장은 Planck 2018 약한 렌즈 맵과 거의 완벽한 정렬을 보이며, 추론의 물리적 타당성과 체계적 오차 없는 성격을 확인한다.
• 초기 조건의 사후 스펙트럼은 $k \simeq 10^{-3}-10^{-2}$ $h$ Mpc$^{-1}$ 영역에서 편향이 없음을 보이며 잔류 시스템적 오차의 부재를 확인한다.
• 이 방법은 적색편이 공간 왜곡, 빛통 효과, 조사 기하학, 그리고 알려진 및 알려지지 않은 전경 오염물질을 모두 성공적으로 고려했다.
• 강력한 포isson 우도의 사용은 알려지지 않은 시스템적 오차의 영향을 효과적으로 억제하여 대규모 동역학의 오류 재구성 방지에 기여한다.
• 각 적색편이 밴드당 14개 매개변수를 가진 다중-파워 편향 모델은 비선형성 및 국소 외 효과를 성공적으로 포착하여 재구성 정밀도를 향상시켰다.
• 분석은 4,000 $h^{-1}$ Mpc$^3$의 공칭 볼륨에서 약 15.6 $h^{-1}$ Mpc 해상도로 대규모 구조의 물리적으로 타당한 재구성을 달성하였으며, 북반구 및 남반구 은하천 문단 데이터를 동시에 처리하였다.