[论文解读] Euclid preparation - LII. Forecast impact of super-sample covariance on 3×2pt analysis with Euclid

Euclid Collaboration, D Sciotti+222 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Statistical and numerical algorithms被引用 1

一句话总结

本文通过3×2pt分析，预测了超样本协方差（SSC）对欧几里得弱引力透镜巡天中宇宙学参数约束的影响。研究发现SSC显著降低了约束精度——使暗能量参数（w₀, wₐ）的指标值（FoM）降低50%，并显著增加了Ωₘ,₀、w₀和σ₈的不确定性，尤其对弱引力透镜探测更为明显，因此需要达到亚百分之一水平的星系偏置校准以缓解其影响。

ABSTRACT

Deviations from Gaussianity in the distribution of the fields probed by large-scale structure surveys generate additional terms in the data covariance matrix, increasing the uncertainties in the measurement of the cosmological parameters. Super-sample covariance (SSC) is among the largest of these non-Gaussian contributions, with the potential to significantly degrade constraints on some of the parameters of the cosmological model under study - especially for weak lensing cosmic shear. We compute and validate the impact of SSC on the forecast uncertainties on the cosmological parameters for the Euclid photometric survey, obtained with a Fisher matrix analysis, both considering the Gaussian covariance alone and adding the SSC term - computed through the public code $ t{PySSC}$. The photometric probes are considered in isolation and combined in the '3$ imes$2pt' analysis. We find the SSC impact to be non-negligible - halving the Figure of Merit of the dark energy parameters $(w_0, w_a)$ in the 3$ imes$2pt case and substantially increasing the uncertainties on $Ω_{{ m m}, 0}, w_0$, and $σ_8$ for cosmic shear; photometric galaxy clustering, on the other hand, is less affected due to the lower probe response. The relative impact of SSC does not show significant changes under variations of the redshift binning scheme, while it is smaller for weak lensing when marginalising over the multiplicative shear bias nuisance parameters, which also leads to poorer constraints on the cosmological parameters. Finally, we explore how the use of prior information on the shear and galaxy bias changes the SSC impact. Improving shear bias priors does not have a significant impact, while galaxy bias must be calibrated to sub-percent level to increase the Figure of Merit by the large amount needed to achieve the value when SSC is not included.

研究动机与目标

• 量化超样本协方差（SSC）对欧几里得弱引力透镜巡天宇宙学参数预测的影响。
• 评估SSC对宇宙学参数不确定性的影响，特别是对结合弱引力透镜、星系聚类和宇宙弱引力透镜的3×2pt分析的影响。
• 评估SSC效应对额外参数选择、红移分箱方案以及剪切和星系偏置先验信息的依赖性。
• 通过与欧几里得协作标准对比，验证预测流程的可靠性，确保两个独立分析流程之间的一致性在10%以内。

提出的方法

• 采用费舍尔矩阵分析方法，利用高斯协方差和额外的SSC项，计算宇宙学参数的1σ约束。
• 通过公开的PySSC代码计算SSC贡献，该代码模拟了巡 Surve y外大尺度密度涨落引起的功率谱模态耦合。
• 分别对单个测光探测器（星系聚类、宇宙弱引力透镜、弱引力透镜）以及通过3×2pt分析组合进行预测。
• 通过改变额外参数的数量和类型（如剪切乘性偏置、星系偏置）来评估SSC影响对参数空间选择的敏感性。
• 通过测试不同先验宽度，特别是评估亚百分之一水平校准需求，研究剪切和星系偏置先验信息的影响。
• 通过与欧几里得协作标准对比验证结果，实现两个独立分析流程之间10%以内的符合度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欧几里得测光巡天的3×2pt分析中，超样本协方差（SSC）如何降低宇宙学参数的约束精度？
• RQ2 SSC影响对分析中变化的额外参数数量和类型的依赖性如何？
• RQ3 红移分箱方案如何影响SSC对参数不确定性贡献的相对大小？
• RQ4 通过改进剪切和星系偏置的先验信息，能在多大程度上缓解SSC引起的精度下降？
• RQ5 在包含SSC的情况下，需要达到何种水平的星系偏置校准才能恢复原本的指标值（FoM）？

主要发现

• 当所有宇宙学和额外参数均可自由变化时，在悲观情景下SSC使暗能量参数（w₀, wₐ）的指标值（FoM）降低52%，在乐观情景下降低45%。
• 由于SSC的影响，弱引力透镜探测对Ωₘ,₀、w₀和σ₈的不确定性显著增加，而测光星系聚类受此影响较小，因其探测响应较低。
• SSC的相对影响对红移分箱方案的变化不敏感，表明在不同分箱配置下具有鲁棒性。
• 改善剪切偏置先验对缓解SSC影响无显著作用，表明剪切偏置并非SSC退化效应的主要驱动因素。
• 必须将星系偏置校准至亚百分之一水平（≤0.1%）才能恢复排除SSC时的FoM值，表明高精度偏置校准具有关键必要性。
• 本研究在两个独立分析流程之间实现了10%以内的符合度，验证了预测结果的稳健性，并与欧几里得协作要求保持一致。