[论文解读] 21 cm intensity mapping cross-correlation with galaxy surveys: Current and forecasted cosmological parameters estimation for the SKAO

Maria Berti, Marta Spinelli+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2023

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 1

一句话总结

本文利用贝叶斯MCMC框架，对SKAO的21厘米强度映射与DESI和Euclid星系红移巡天之间的交叉相关性进行宇宙学参数约束预测，该框架建模了光束效应、Alcock-Paczynski几何结构以及天体物理系统误差。研究发现，仅通过交叉相关性即可实现对H₀的亚百分之一水平约束（0.33%），当与普朗克CMB数据结合时，其精度可与普朗克数据媲美，且对H₀和Ωch²的误差可分别降低至5.6倍和3.2倍。

ABSTRACT

We present a comprehensive set of forecasts for the cross-correlation signal between 21cm intensity mapping and galaxy redshift surveys. We focus on the data sets that will be provided by the SKAO for the 21cm signal, DESI and Euclid for galaxy clustering. We build a likelihood which takes into account the effect of the beam for the radio observations, the Alcock-Paczynski effect, a simple parameterization of astrophysical nuisances, and fully exploit the tomographic power of such observations in the range $z=0.7-1.8$ at linear and mildly non-linear scales ($k<0.25 h/$Mpc). The forecasted constraints, obtained with Monte Carlo Markov Chains techniques in a Bayesian framework, in terms of the six base parameters of the standard $Λ$CDM model, are promising. The predicted signal-to-noise ratio for the cross-correlation can reach $\sim 50$ for $z\sim 1$ and $k\sim 0.1 h/$ Mpc. When the cross-correlation signal is combined with current Cosmic Microwave Background (CMB) data from Planck, the error bar on $Ω_{ m c}\,h^2$ and $H_0$ is reduced by a factor 3 and 6, respectively, compared to CMB only data, due to the measurement of matter clustering provided by the two observables. The cross-correlation signal has a constraining power that is comparable to the auto-correlation one and combining all the clustering measurements a sub-percent error bar of 0.33% on $H_0$ can be achieved, which is about a factor 2 better than CMB only measurement. Finally, as a proof-of-concept, we test the full pipeline on the real data measured by the MeerKat collaboration (Cunnington et al. 2022) presenting some (weak) constraints on cosmological parameters.

研究动机与目标

• 预测未来SKAO 21厘米强度映射与DESI/Euclid星系巡天之间交叉相关性的宇宙学参数约束。
• 评估21厘米-星系交叉相关性相对于自相关功率谱和CMB数据的约束能力。
• 开发并验证一个包含光束效应、Alcock-Paczynski几何结构以及天体物理噪声参数的似然函数流程。
• 以MeerKAT-WiggleZ真实交叉相关数据为测试案例，验证该流程的可行性。

提出的方法

• 使用CosmoMC的贝叶斯MCMC框架，预测ΛCDM参数的约束。
• 采用Cunnington等人（2022）的理论框架，建模21厘米-星系交叉功率谱，包含红移空间畸变和光束效应。
• 引入Alcock-Paczynski效应和红移分层（z = 0.7–1.8）以增强灵敏度。
• 将天体物理系统误差（如HI偏置、非线性效应）作为似然函数中的噪声参数处理。
• 模拟SKA-Mid单天线在Band 1（0.35–1.05 GHz）频段的观测，并与DESI及类似Euclid的星系聚类数据进行交叉相关。
• 基于Cunnington等人（2022）提供的真实MeerKAT-WiggleZ交叉相关数据，验证该流程的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过SKAO 21厘米强度映射与DESI和Euclid星系巡天的交叉相关性，可实现多高的宇宙学参数精度？
• RQ2 与21厘米自相关功率谱相比，交叉相关信号在参数约束能力上表现如何？
• RQ3 当与普朗克CMB数据结合时，交叉相关测量在多大程度上改善了参数约束？
• RQ4 在包含天体物理噪声参数和光束效应的情况下，预测结果的鲁棒性如何？
• RQ5 所开发的分析流程在应用于真实数据（如MeerKAT-WiggleZ交叉相关）时，能否产生一致的约束结果？

主要发现

• SKAO与星系巡天之间的交叉相关信号在z ∼ 1和k ∼ 0.1 h/Mpc处的信噪比约为50。
• 仅通过交叉相关性，当所有21厘米探测器联合时，即可将H₀的约束精度控制在0.33%以内，其精度可与普朗克数据相媲美。
• 将交叉相关性与普朗克CMB数据结合后，Ωch²和H₀的误差分别降低了3.2倍和5.6倍。
• 交叉相关信号提供的参数约束能力与仅使用21厘米自相关功率谱相当。
• 尽管信噪比较低，该流程在真实MeerKAT-WiggleZ数据上测试时，仍能产生一致的宇宙学参数边际约束。
• 在似然函数中引入天体物理噪声参数并未显著降低预测约束精度，验证了该框架的鲁棒性。