[论文解读] Measuring redshift-space distortions with future SKA surveys

Alvise Raccanelli, Philip Bull+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 23被引用 9

一句话总结

本文预测了未来平方公里阵列（SKA）巡天在测量红移空间畸变（RSD）以约束宇宙结构增长速率方面的表现。结合星系红移巡天与强度映射（IM）方法，研究发现SKA1 IM的约束能力可与当前光学巡天及欧几里得空间望远镜（Euclid）相媲美，而SKA2在低红移区域具有更优的灵敏度，其性能在z ~ 1.5以内优于Euclid。

ABSTRACT

The peculiar motion of galaxies can be a particularly sensitive probe of gravitational collapse. As such, it can be used to measure the dynamics of dark matter and dark energy as well the nature of the gravitational laws at play on cosmological scales. Peculiar motions manifest themselves as an overall anisotropy in the measured clustering signal as a function of the angle to the line-of-sight, known as redshift-space distortion (RSD). Limiting factors in this measurement include our ability to model non-linear galaxy motions on small scales and the complexities of galaxy bias. The anisotropy in the measured clustering pattern in redshift-space is also driven by the unknown distance factors at the redshift in question, the Alcock-Paczynski distortion. This weakens growth rate measurements, but permits an extra geometric probe of the Hubble expansion rate. In this chapter we will briefly describe the scientific background to the RSD technique, and forecast the potential of the SKA phase 1 and the SKA2 to measure the growth rate using both galaxy catalogues and intensity mapping, assessing their competitiveness with current and future optical galaxy surveys.

研究动机与目标

• 评估未来SKA巡天通过测量红移空间畸变（RSD）作为宇宙结构增长探针的潜力。
• 评估SKA1与SKA2巡天相对于当前及未来光学巡天（如欧几里得空间望远镜）在约束宇宙学参数方面的竞争力。
• 研究不同巡天模式——HI星系红移巡天与强度映射——对RSD测量灵敏度的影响。
• 在参数化与非参数化结构增长模型下，考察对增长速率参数γ及fσ8乘积的约束。
• 识别SKA1 HI巡天的局限性，以及SKA2与强度映射在高精度宇宙学中的优势。

提出的方法

• 本研究使用费舍尔矩阵预测，推算SKA1与SKA2巡天对大尺度结构增长速率的宇宙学约束。
• 采用标准形式化方法建模红移空间畸变，涉及增长速率f与凯泽效应，整合星系聚类与强度映射技术。
• 分析中纳入阿尔科克-帕奇尼效应作为几何修正项，该效应影响RSD测量并提供对哈勃膨胀速率的额外约束。
• 考虑两种宇宙学模型框架：(1) 参数化增长，其中γ为自由参数；(2) 非参数化增长，fσ8与bσ8作为联合可观测量。
• 引入普朗克与BOSS的先验信息，以提高对σ8与偏置参数约束的准确性。
• 预测结果综合考虑了巡天深度、红红移分箱与巡天体积，并将SKA结果与欧几里得及其他光学巡天的预期结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA1与SKA2巡天在通过红移空间畸变约束大尺度结构增长速率方面表现如何？
• RQ2 在SKA1与SKA2中，HI星系红移巡天与强度映射在RSD测量中的相对性能如何？
• RQ3 SKA巡天在多大程度上能匹配或超越未来光学巡天（如欧几里得）的宇宙学约束？
• RQ4 非线性效应与星系偏置等系统误差如何影响RSD测量精度的预测？
• RQ5 SKA1中的强度映射能否在低红移区域实现与光学巡天相当的fσ8与γ约束？

主要发现

• SKA1 HI星系巡天在约束增长速率参数γ方面，无法与当前或未来光学巡天相竞争。
• SKA1强度映射（IM）对γ的约束能力与当前光学巡天相当，且在中等红移区域与欧几里得任务的预期结果相当。
• SKA2星系巡天在低红移区域的预测约束最为紧密，优于欧几里得在该区域的表现。
• 对于fσ8乘积，SKA2在红移z ~ 1.5以内可实现与欧几里得相当的约束，尤其在低红移分箱中表现更优。
• SKA1中的IM模式为测量RSD提供了一种可行的替代方案，尤其在低红移区域，此时非线性效应影响较小。
• 本研究指出，尽管非线性效应与超大尺度系统误差尚未完全建模，但预测结果仍表明SKA在结构增长宇宙学约束方面具有强大潜力。