[논문 리뷰] Will Kinematic Sunyaev-Zel'dovich Measurements Enhance the Science Return from Galaxy Redshift Surveys?

Naonori S. Sugiyama, Teppei Okumura외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 20.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 향후 CMB 실험에서의 운동학적 수자예프-젤드비치(kSZ) 측정과 은하 적색편이 조사 간의 조합을 통해 성장률 $f$와 허블 파라미터 $H$에 대한 우주론적 제약 조건을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다. 비대칭성 있는 쌍대 kSZ 파wer 스펙트럼을 3차 모멘트까지 모델링하고 불확실한 광학적 두께 $\tau_{\rm T}$에 대해 극대화함으로써, 저자들은 공동 분석이 은하 조사만으로 수행할 경우에 비해 $H$와 $f$에 대한 1-$\sigma$ 오차를 50–70% 감소시킨다고 밝힌다.

ABSTRACT

Yes. Future CMB experiments such as Advanced ACTPol and CMB-S4 should achieve measurements with S/N of $> 0.1$ for the typical galaxies in redshift surveys. These measurements will provide complementary measurements of the growth rate of large scale structure $f$ and the expansion rate of the Universe $H$ to galaxy clustering measurements. This paper emphasizes that there is significant information in the anisotropy of the relative pairwise kSZ measurements. We expand the relative pairwise kSZ power spectrum in Legendre polynomials and consider up to its octopole. Assuming that the noise in the filtered maps is uncorrelated between the positions of galaxies in the survey, we derive a simple analytic form for the power spectrum covariance of the relative pairwise kSZ temperature in redshift space. While many previous studies have assumed optimistically that the optical depth of the galaxies $\ au_{\ m T}$ in the survey is known, we marginalize over $\ au_{\ m T}$, to compute constraints on the growth rate $f$ and the expansion rate $H$. For realistic sure parameters, we find that combining kSZ and galaxy redshift survey data reduces the marginalized $1$-$\\sigma$ errors on $H$ and $f$ by $\\sim50$-$70\\%$ compared to the galaxy-only analysis.

연구 동기 및 목표

• 향후 CMB 실험에서의 kSZ 측정이 은하 적색편이 조사로부터의 우주론적 제약 조건을 향상시킬 수 있는지 평가하기 위해.
• 적색편이 공간에서 비대칭성 있는 상대 쌍대 kSZ 파워 스펙트럼을 3차 모멘트까지 포함하여 모델링하기 위해.
• 현실적인 노이즈 가정 하에 kSZ 파워 스펙트럼에 대한 분석적 공분산 행렬을 유도하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 $f$와 $H$ 제약 조건을 확보하기 위해 불확실한 광학적 두께 $\tau_{\rm T}$에 대해 극대화하기 위해.
• kSZ와 은하 군집 데이터를 결합했을 때 오차 제약 조건이 얼마나 향상되는지 정량화하기 위해.

제안 방법

• 비대칭성 있는 군집 효과를 포착하기 위해 $\ell=3$까지 레전드르 다항식으로 상대 쌍대 kSZ 온도를 전개하기 위해.
• 은하 위치 간의 노이즈 상관관계가 없음을 가정하여 파워 스펙트럼 공분산에 대한 분석적 표현을 유도하기 위해.
• 파라미터 제약 조건을 계산하기 위해 피셔 매트릭스 분석을 사용하고, 파워 스펙트럼의 $D_{\rm A}$, $H$, $f$, $b$, $\tau_{\rm T}$에 대한 편미분을 계산하기 위해.
• 헤일과 물질 파워 스펙트럼 간의 관계를 나타내기 위해 적색편이 공간에서 선형 카이저 비례와 속도 비례를 $K_\ell^{(n)}$ 요소를 사용하여 모델링하기 위해.
• 특성 속도에 대해 $\vec{v} \propto f$를 가정하고 일반 상대성 이론과 일치시키며, 시뮬레이션된 파워 스펙트럼에서 $\partial P / \partial \ln f$를 유도하기 위해.
• 모르는 $\tau_{\rm T}$에 대해 통합함으로써 $H$와 $f$에 대한 극대화된 오차를 계산하고, $\tau_{\rm T}$가 알려져 있다는 낙관적인 가정을 피하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 CMB 실험인 Advanced ACTPol과 CMB-S4와 같은 실험에서의 kSZ 측정이 의미 있는 우주론적 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 비대칭성 있는 상대 쌍대 kSZ 신호, 특히 3차 모멘트까지 포함된 경우, $f$와 $H$에 대한 제약 조건을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 불확실한 광학적 두께 $\tau_{\rm T}$에 대해 극대화함으로써 $H$와 $f$의 최종 오차 예산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 kSZ와 은하 적색편이 조사 데이터를 결합했을 때, 은하 군집 분석만으로 수행할 경우에 비해 불확실성이 얼마나 감소하는가?
• RQ5 적색편이 공간에서의 왜곡은 kSZ 기반 속도 측정의 해석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Advanced ACTPol과 CMB-S4와 같은 향후 CMB 실험은 적색편이 조사의 일반적인 환경에서 주로 존재하는 환경에서 신호 대 잡음 비율 >0.1을 달성할 것으로 예상된다.
• 비대칭성 있는 kSZ 신호, 특히 3차 모멘트까지 포함된 경우, 단일 모멘트를 초월해 중요한 우주론적 정보를 담고 있다.
• $\tau_{\rm T}$에 대해 극대화함으로써 공동 분석은 은하 단독 분석에 비해 $H$와 $f$에 대한 1-$\sigma$ 오차를 50–70%로 감소시킨다.
• 유도된 분석적 공분산 행렬은 적색편이 공간에서 kSZ 파워 스펙트럼에 대한 신뢰할 수 있는 피셔 매트릭스 예측을 가능하게 한다.
• 이 방법은 적색편이 공간 왜곡과 속도 비례를 고려하여 $f$와 $H$ 제약 조건의 정확도를 향상시킨다.
• 결과적으로 kSZ 측정은 성장률과 팽창률에 대해 보완적이고 강력한 제약 조건을 제공하며, 은하 적색편이 조사의 과학적 수익을 향상시킨다.