[论文解读] Euclid preparation. TBD. Galaxy power spectrum modelling in real space

Euclid Collaboration, A Pezzotta+247 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 2

一句话总结

本文评估了微扰星系偏置模型的准确性——具体而言，是有效场论大尺度结构（EFTofLSS）中的欧拉表征展开，以及结合拉格朗日微扰理论与模拟的混合方法——用于建模欧几鲁空间望远镜光谱巡天前的实空间星系功率谱。结果表明，两种模型在 kmax = 0.45 h Mpc⁻¹ 以内均能以相当的精度稳健约束宇宙学参数（h, ωc），且固定潮汐偏置参数可降低模型维度而不引入偏差，从而在弱非线性区间（1 ≲ z ≲ 2）内提升统计效能。

ABSTRACT

We investigate the accuracy of the perturbative galaxy bias expansion in view of the forthcoming analysis of the Euclid spectroscopic galaxy samples. We compare the performance of an Eulerian galaxy bias expansion, using state-of-art prescriptions from the effective field theory of large-scale structure (EFTofLSS), against a hybrid approach based on Lagrangian perturbation theory and high-resolution simulations. These models are benchmarked against comoving snapshots of the Flagship I N-body simulation at $z=(0.9,1.2,1.5,1.8)$, which have been populated with H$α$ galaxies leading to catalogues of millions of objects within a volume of about $58\,h^{-3}\,{ m Gpc}^3$. Our analysis suggests that both models can be used to provide a robust inference of the parameters $(h, ω_{ m c})$ in the redshift range under consideration, with comparable constraining power. We additionally determine the range of validity of the EFTofLSS model in terms of scale cuts and model degrees of freedom. From these tests, it emerges that the standard third-order Eulerian bias expansion can accurately describe the full shape of the real-space galaxy power spectrum up to the maximum wavenumber $k_{ m max}=0.45\,h\,{ m Mpc}^{-1}$, even with a measurement precision well below the percent level. In particular, this is true for a configuration with six free nuisance parameters, including local and non-local bias parameters, a matter counterterm, and a correction to the shot-noise contribution. Fixing either tidal bias parameters to physically-motivated relations still leads to unbiased cosmological constraints. We finally repeat our analysis assuming a volume that matches the expected footprint of Euclid, but without considering observational effects, as purity and completeness, showing that we can get consistent cosmological constraints over this range of scales and redshifts.

研究动机与目标

• 为欧几鲁光谱巡天验证星系功率谱的理论模型，重点关注实空间聚类。
• 评估微扰星系偏置展开（特别是 EFTofLSS）相对于高分辨率 N-body 模拟的准确性和鲁棒性。
• 确定最小化系统误差并最大化宇宙学约束能力的最优尺度截断与模型复杂度（自由度）。
• 测试将偏置参数固定为物理上合理的关联关系对宇宙学推断与投影效应的影响。
• 在模拟欧几鲁预期覆盖范围的缩减巡天体积下评估模型性能，不考虑观测系统误差。

提出的方法

• 使用 I 号旗舰 N-body 模拟在 z = 0.9, 1.2, 1.5, 1.8 的共动快照，通过 Hα 发射星系填充生成包含数百万对象的模拟星表。
• 采用 EFTofLSS 中的三阶欧拉表征展开，包含局部与非局部偏置参数、物质反项（counter-term）及shot-noise校正。
• 将 EFTofLSS 的预测与结合拉格朗日微扰理论与高分辨率模拟的混合模型进行对比。
• 使用高斯协方差矩阵执行似然推断，通过尺度截断评估模型有效性与统计显著性。
• 通过将潮汐偏置参数（bΓ3 与 bG2）固定为物理关系，测试模型鲁棒性，并与全自由参数情形对比约束结果。
• 通过缩放协方差矩阵模拟欧几鲁规模的巡天体积，评估对统计精度与体积损失的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移范围 1 ≲ z ≲ 2 内，基于 EFTofLSS 的三阶欧拉表征展开能否在 kmax = 0.45 h Mpc⁻¹ 以内准确建模实空间星系功率谱的完整形状？
• RQ2 将潮汐偏置参数固定为物理上合理的关联关系，对宇宙学约束与模型鲁棒性有何影响？
• RQ3 在宇宙学推断中，模型复杂度（自由度）与约束能力（FoM）之间应如何取得最优平衡？
• RQ4 偏置建模中的系统误差如何随红移与尺度变化，特别是在非线性区域附近？
• RQ5 当应用于匹配欧几鲁预期覆盖范围的巡天体积时，这些模型在多大程度上能维持无偏的宇宙学约束？

主要发现

• 标准三阶欧拉表征展开在 EFTofLSS 中能以低于百分之一的测量精度，在 kmax = 0.45 h Mpc⁻¹ 以内准确描述实空间星系功率谱的完整形状。
• 将潮汐偏置参数 bΓ3 固定为物理上合理的关联关系，可获得无偏的宇宙学约束，并使信息量度（FoM）相比全自由参数模型提高 1.5 至 2 倍。
• 当两个潮汐偏置参数均被固定时，低红移处出现偏差；而仅固定 bΓ3 时可保持鲁棒性，并在 kmax ≲ 0.3 h Mpc⁻¹ 范围内集中实现 FoM 的相对增益。
• 基于拉格朗日微扰理论与高分辨率模拟的混合模型在 1 ≲ z ≲ 2 的红移范围内，对 (h, ωc) 的约束能力与 EFTofLSS 相当。
• 即使将协方差矩阵缩放以匹配预期的欧几鲁巡天体积，所有测试尺度与红移下，模型对 (h, ωc) 的宇宙学约束仍与基准值一致，且在 68% 可信区间内。
• 通过参数固定减少模型自由度可在不引入偏差的前提下提升 FoM，尤其当仅固定 bΓ3 时效果更佳，且有助于缓解高维参数空间带来的投影效应。