[论文解读] DESI Peculiar Velocity Survey -- Fundamental Plane

Khaled Saïd, Cullan Howlett+53 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2024

Inertial Sensor and Navigation参考文献 108被引用 9

一句话总结

描述了 DESI Peculiar Velocity Survey 的初步 Fundamental Plane 分析，使用 Survey Validation 数据测量早型星系的距离和 peculiar velocities，并从 FP 零点校准中推导出 H0。

ABSTRACT

The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Peculiar Velocity Survey aims to measure the peculiar velocities of early and late type galaxies within the DESI footprint using both the Fundamental Plane and optical Tully-Fisher relations. Direct measurements of peculiar velocities can significantly improve constraints on the growth rate of structure, reducing uncertainty by a factor of approximately 2.5 at redshift 0.1 compared to the DESI Bright Galaxy Survey's redshift space distortion measurements alone. We assess the quality of stellar velocity dispersion measurements from DESI spectroscopic data. These measurements, along with photometric data from the Legacy Survey, establish the Fundamental Plane relation and determine distances and peculiar velocities of early-type galaxies. During Survey Validation, we obtain spectra for 6698 unique early-type galaxies, up to a photometric redshift of 0.15. 64\% of observed galaxies (4267) have relative velocity dispersion errors below 10\%. This percentage increases to 75\% if we restrict our sample to galaxies with spectroscopic redshifts below 0.1. We use the measured central velocity dispersion, along with photometry from the DESI Legacy Imaging Surveys, to fit the Fundamental Plane parameters using a 3D Gaussian maximum likelihood algorithm that accounts for measurement uncertainties and selection cuts. In addition, we conduct zero-point calibration using the absolute distance measurements to the Coma cluster, leading to a value of the Hubble constant, $H_0 = 76.05 \pm 0.35$(statistical) $\pm 0.49$(systematic FP) $\pm 4.86$(statistical due to calibration) $\mathrm{km \ s^{-1} Mpc^{-1}}$. This $H_0$ value is within $2σ$ of Planck Cosmic Microwave Background results and within $1σ$, of other low redshift distance indicator-based measurements.

研究动机与目标

• 旨在推动使用直接的 peculiar velocity 测量来改善对结构增长速率和 H0 的约束。
• 从 DESI FP 数据中建立一个利用速度色散与光度测量的 Fundamental Plane 关系。
• 评估 DESI 恒星速度色散测量的数据质量并实现对选择效应鲁棒的 FP 拟合。
• 使用 Coma 星团距离对 FP 零点进行标定以估算哈勃常数。
• 提供来自 DESI SV 数据的基于 FP 的距离与 peculiar velocities 的早期目录。

提出的方法

• 使用 DESI Legacy Imaging Surveys 的中心速度色散 (sigma0) 与 r 波段光度测量来构建 Fundamental Plane：log Re = a log sigma0 + b log Ie + c.
• 通过 r 波段半光半径和椭圆率从角尺寸计算角径 Re，再在 CMB 框架下将其转换为 z 处的 kpc h^-1。
• 通过模型光度在 r 波段来估算 Ie，结合演化、暗淡化、K-correction 等校正和角尺寸，公式为 log Ie = 0.4(Msun_r - m_r - 0.85 zcmb) - log(2 pi theta_e^2) + 4 log(1+zhelio) + 2 log(206265/10)。
• 使用 DESI 蓝端光谱与 Indo-U.S. 模板库的 pPXF 测量 sigma0 及不确定性；如可用，最终 sigma0 使用 DESI 全深度光谱。
• 用一个 3D 高斯最大似然方法拟合 FP 参数 (a, b, c)，它考虑了观测误差与选择效应。
• 通过使用 Coma 星团的绝对距离对 FP 零点进行标定以推导 H0。

实验结果

研究问题

• RQ1 DESI FP 星系样本在 DESI 光度测量与 SV 光谱学下的 Fundamental Plane 是什么？
• RQ2 速度色散测量质量与选择切割如何影响 FP 距离和 peculiar velocities？
• RQ3 在 Survey Validation 期间 DESI 覆盖区域的早型星系可以获得哪些 FP 推导的距离和 peculiar velocities？
• RQ4 利用 Coma 星团距离对 FP 零点标定得到的 H0 值与 Planck CMB 及其他低 redshift 指标衡量有何差异？

主要发现

• 在 SV 数据中通过与光度学选择和质量筛选交叉匹配后识别出 6698 颗 FP 星系。
• 观测的 FP 星系中有 64% 的相对速度色散误差低于 10%；在红移 z < 0.1 的光谱红移中，这一比例上升到 75%。
• FP 拟合结果给出 H0 = 76.05 ± 0.35 (stat) ± 0.49 (systematic FP) ± 4.86 (statistical due to calibration) km s^-1 Mpc^-1。
• 该 H0 值与 Planck CMB 结果在 2σ 内相符、与其他低 redshift 距离指示测量在 1σ 内相符。
• 该研究展示了 DESI SV 数据在基于 FP 的距离与 peculiar velocity 测量以及使用 Coma 距离进行 FP 零点标定的可行性。
• 该分析使用了一个 3D 高斯最大似然 FP 拟合方法，结合了观测不确定性与选择效应。