[论文解读] Measurements of cosmic expansion and growth rate of structure from voids in the Sloan Digital Sky Survey between redshift 0.07 and 1.0

Alex Woodfinden, S. Nadathur+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 71被引用 42

一句话总结

本研究利用斯隆数字巡天数据（𝑧 = 0.07–1.0）中的空洞-星系交叉相关函数测量宇宙膨胀与结构增长，应用红移空间重构以减少选择偏差。其对距离比 𝐷M/𝐷H 的测量精度高于BAO分析，并与ΛCDM宇宙学模型高度一致，确立了空洞-星系交叉相关作为稳健的宇宙学探针。

ABSTRACT

We present measurements of the anisotropic cross-correlation of galaxies and cosmic voids in data from the Sloan Digital Sky Survey Main Galaxy Sample (MGS), Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) and extended BOSS (eBOSS) luminous red galaxy catalogues from SDSS Data Releases 7, 12 and 16, covering the redshift range $0.07<z<1.0$. As in our previous work analysing voids in subsets of these data, we use a reconstruction method applied to the galaxy data before void-finding in order to remove selection biases when constructing the void samples. We report results of a joint fit to the multipole moments of the measured cross-correlation for the growth rate of structure, $f\sigma_8(z)$, and the ratio $D_\mathrm{M}(z)/D_\mathrm{H}(z)$ of the comoving angular diameter distance to the Hubble distance, in six redshift bins. For $D_\mathrm{M}/D_\mathrm{H}$, we are able to achieve a significantly higher precision than that obtained from analyses of the baryon acoustic oscillations (BAO) and galaxy clustering in the same datasets. Our growth rate measurements are of lower precision but still comparable with galaxy clustering results. For both quantities, the results agree well with the expectations for a $\Lambda$CDM model. Assuming a flat Universe, our results correspond to a measurement of the matter density parameter $\Omega_\mathrm{m}=0.337^{+0.026}_{-0.029}$. For more general models the degeneracy directions obtained are consistent with and complementary to those from other cosmological probes. These results consolidate void-galaxy cross-correlation measurements as a pillar of modern observational cosmology.

研究动机与目标

• 利用SDSS数据中的空洞-星系交叉相关函数测量结构增长速率 𝑓𝜎8(𝑧) 与阿尔科夫-帕奇尼距离比 𝐷M(𝑧)/𝐷H(𝑧)。
• 应用红移空间重构以减轻空洞探测中的选择偏差，提升测量精度。
• 在 0.07 < 𝑧 < 1.0 范围内检验基于空洞的宇宙学约束与标准ΛCDM模型的一致性。
• 证明空洞-星系交叉相关作为BAO与星系聚类的补充探针的稳健性。
• 采用一致的方法论，对MGS、BOSS与eBOSS数据集进行统一的高精度分析。

提出的方法

• 使用SDSS MGS、BOSS与eBOSS（DR7、DR12、DR16）的星系红移数据，覆盖 0.07 < 𝑧 < 1.0 的红移范围。
• 在空洞探测前对星系星表应用红移空间重构，以减少选择函数偏差。
• 采用 ZOBOV 空洞探测器与 Revolver 代码识别空洞并计算空洞-星系交叉相关函数。
• 测量各向异性交叉相关函数的多极矩，以在六个红移窗口中提取 𝑓𝜎8(𝑧) 与 𝐷M(𝑧)/𝐷H(𝑧)。
• 使用似然框架对多极矩进行联合拟合，并通过星系模拟星表估计误差。
• 利用全𝑁体模拟与近似引力模拟验证结果，量化系统性误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 空洞-星系交叉相关测量能否在 𝐷M/𝐷H 与 𝑓𝜎8 方面提供与BAO及星系聚类相竞争的约束？
• RQ2 红移空间重构在多大程度上提升了基于空洞的宇宙学测量精度？
• RQ3 在 0.07 < 𝑧 < 1.0 范围内，基于空洞的 𝐷M/𝐷H 与 𝑓𝜎8 约束如何与ΛCDM预测比较？
• RQ4 在此分析中，空洞探测与重构带来的系统性误差是否可忽略不计，相较于统计不确定性？
• RQ5 空洞-星系交叉相关能否作为宇宙膨胀与结构增长的稳健、独立探针？

主要发现

• 该分析对距离比 𝐷M(𝑧)/𝐷H 的测量精度高于同数据集中基于BAO的测量结果。
• 对增长速率 𝑓𝜎8(𝑧) 的测量精度与星系聚类相当，尽管信噪比较低。
• 在红移范围 0.15 ≤ 𝑧 ≤ 0.69 内，𝑓𝜎8 与 𝐷M/𝐷H 的联合约束与平坦ΛCDM模型高度一致。
• 在平坦宇宙假设下，推断的物质密度参数为 Ωm = 0.337+0.026−0.029。
• 空洞探测与重构带来的系统性误差远小于统计不确定性，证实了方法的稳健性。
• 结果表明，空洞-星系交叉相关是宇宙学参数的补充且可靠的探针，尤其适用于低红移几何测试。