[论文解读] Cross-correlations between mm-wave line-intensity mapping and weak lensing surveys: preliminary consideration of long-term prospects

Dongwoo T. Chung|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 105被引用 8

一句话总结

本文预测了在z=0.5–1红移区间内，利用暗能量巡天（DESI）的毫米波CO线强度映射（LIM）与罗伯特·伯尔顿天文台LSST的弱引力透镜（WL）剪切之间的交叉相关性，表明未来第三阶段的LIM实验有望以信噪比50检测到交叉功率谱，从而对宇宙分子气体密度和退化天体物理参数实现具有竞争力的约束；而利用当前的先导LIM实验与早期LSST数据，也可能实现2σ水平的边际检测。

ABSTRACT

The field of millimetre-wave line-intensity mapping (LIM) is seeing increased experimental activity with pathfinder surveys already deployed or deploying in the next few years, making spectroscopic measurements of unresolved atomic and molecular line emission tracing the large-scale structure of the Universe. The next decade will also see the Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) undertake a photometric galaxy survey programme of unprecedented scope, including measurements of cosmic shear exploiting weak gravitational lensing (WL) of background galaxies to map projected large-scale structure. We consider prospects for detecting angular cross power spectra between non-tomographic cosmic shear and mm-wave LIM surveys that measure emission from CO lines at $z=0.5$-$1$. We forecast that once the LSST Year 10 WL dataset is available, a future LIM experiment, conceivably deployed in the next 10-15 years, would enable such a cross-correlation detection with an overall signal-to-noise ratio of $50$, although the current pathfinder generation of CO/[C II] surveys are more likely to achieve a marginal $2\sigma$ detection against an earlier-stage LSST WL dataset. The signal has modest astrophysical constraining power yielding competitive constraints on cosmic molecular gas density at $z\lesssim1$, and degeneracies between astrophysical parameters and the intrinsic alignment amplitude mean that external information on either one could allow the cross-correlation analysis to significantly improve its constraints on the other.

研究动机与目标

• 评估利用LSST弱引力透镜巡天的宇宙 shear 与毫米波CO线强度映射（LIM）之间交叉相关性的可检测性。
• 评估此类交叉相关性在天体物理与宇宙学参数约束方面的潜力，特别是对分子气体密度和固有对齐（IA）效应的约束。
• 探索LIM与WL作为大尺度结构互补探测手段之间的协同效应，尤其在z ≲ 1红移区间内。
• 为未来LIM实验提供初步预测，识别最优观测窗口与参数空间。
• 强调联合分析在打破天体物理参数与IA幅度之间退化关系方面的潜力。

提出的方法

• 基于ΛCDM宇宙学模型（采用Planck 2015参数）建模非分层宇宙 shear（基于LSST Y10类数据）与z=0.5–1红移区间内毫米波CO线LIM之间的角交叉功率谱。
• 采用晕占有分布（HOD）模型将CO光度与暗物质晕质量关联，引入红移依赖的CO-to-H2转换因子（αCO）。
• 使用Serra等人（2016）模型的改进版本计算LIM功率谱，考虑未解析星系的线发射与红移演化效应。
• 利用Fisher矩阵方法预测交叉相关性检测的信噪比（S/N），假设观测面积为10,000 deg²，且考虑真实噪声水平。
• 包含形状噪声、星系计数噪声与宇宙方差贡献，并对包括固有对齐（IA）幅度在内的额外参数进行边缘化处理。
• 通过Fisher矩阵投影评估对关键天体物理参数（如CO–IR光度关系与ρH2，即分子气体密度）的约束能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z=0.5–1红移区间内，毫米波CO LIM与LSST宇宙 shear 之间交叉相关性的预期信噪比是多少？
• RQ2 该交叉相关性可约束哪些天体物理参数？其约束能力与现有探测手段相比如何？
• RQ3 天体物理参数（如CO–IR光度关系）与固有对齐（IA）幅度之间的退化关系如何影响推断结果？
• RQ4 当前先导LIM实验与未来第三阶段LIM巡天在检测该交叉相关性方面的能力如何？
• RQ5 该交叉相关性信号在不同红移区间内如何变化？其分层扩展的潜力如何？

主要发现

• 未来毫米波第三阶段LIM实验有望以信噪比50检测到z=0.5–1红移区间内CO线与LSST第十年弱引力透镜数据之间的交叉相关性。
• 当前先导LIM实验（如COMAP、COPSS）预计仅能对早期LSST弱引力透镜数据实现边际2σ检测。
• 该交叉相关性对z≲1宇宙分子气体密度ρH2的约束具有竞争力，与现有其他探测手段相当。
• 在对其他参数进行边缘化后，该分析对CO–IR光度关系与固有对齐（IA）幅度的约束能力较弱。
• 天体物理参数与IA幅度之间存在显著退化关系，表明对其中任一参数施加外部先验可显著改善对另一参数的约束。
• 第三阶段LIM实验在每个独立频率通道中的预测信噪比均超过5σ，表明检测具有高度统计可靠性。