[论文解读] Multi-wavelength spectroscopic probes: prospects for primordial non-Gaussianity and relativistic effects

Jan-Albert Viljoen, José Fonseca+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 107被引用 27

一句话总结

该论文利用下一代21厘米强度映射（SKAO）与光学红移巡天（DESI、Euclid）的多波段交叉相关，预测了原初非高斯性（fNL）及相对论效应（特别是强引力透镜放大和多普勒频移）的约束。通过结合低红移与高红移巡天的角功率谱Cℓ(zi, zj)，多探针技术实现了σ(fNL) ≈ 1.5的精度，以S/N ≈ 8检测到多普勒效应，并以2%的精度测量了引力透镜收敛率，展示了对系统误差的鲁棒性，强调了在fNL估计中必须建模相对论效应，否则将导致显著偏差。

ABSTRACT

Next-generation cosmological surveys will observe larger cosmic volumes than ever before, enabling us to access information on the primordial Universe, as well as on relativistic effects. We consider forthcoming 21cm intensity mapping surveys (SKAO) and optical galaxy surveys (DESI and Euclid), combining the information via multi-tracer cross-correlations that suppress cosmic variance on ultra-large scales. In order to fully incorporate wide-angle effects and redshift-bin cross-correlations, together with lensing magnification and other relativistic effects, we use the angular power spectra, $C_\ell(z_i,z_j)$. Applying a Fisher analysis, we forecast the expected precision on $f_{ m NL}$ and the detectability of lensing and other relativistic effects. We find that the full combination of two pairs of 21cm and galaxy surveys, one pair at low redshift and one at high redshift, could deliver $\sigma(f_{ m NL})\sim 1.5$, detect the Doppler effect with a signal-to-noise ratio $\sim$8 and measure the lensing convergence contribution at $\sim$2\% precision. In a companion paper, we show that the best-fit values of $f_{ m NL}$ and of standard cosmological parameters are significantly biased if the lensing contribution neglected.

研究动机与目标

• 利用未来21厘米与光学红移巡天的多探针交叉相关，预测原初非高斯性参数fNL的精度。
• 通过角功率谱Cℓ(zi, zj)评估相对论效应（特别是引力透镜放大与多普勒频移）的可探测性。
• 评估在建模中忽略相对论效应时对fNL与宇宙学参数估计的影响，突出潜在偏差。
• 展示多探针技术在超大尺度上抑制宇宙方差与系统误差的鲁棒性。

提出的方法

• 使用角功率谱Cℓ(zi, zj)建模21厘米强度映射（SKAO波段1与2）与光学红移巡天（DESI BGS、Euclid Hα）之间的多探针交叉相关。
• 采用Fisher矩阵分析预测fNL与相对论效应的约束，纳入尺度依赖性偏置、引力透镜放大、多普勒频移与相对论势项。
• 建模光锥效应，包括红移空间畸变、放大与观测数密度扰动∆g中的相对论修正。
• 使用信噪比估计量SAB识别探测多普勒与透镜效应的最优探针对。
• 同时考虑理想化建模（相对论项完全已知）与对相对论幅度不确定性的实际边缘化处理。
• 采用基准宇宙学参数：Ωcdm0 = 0.26，H0 = 67.74 km/s/Mpc，ns = 0.967，w = −1，As = 2.142 × 10−9。

实验结果

研究问题

• RQ1 21厘米与光学红移巡天的多探针交叉相关能否实现σ(fNL) < 1，即区分单场与多场暴胀的阈值？
• RQ2 利用高红移分辨率光学巡天，角功率谱中多普勒效应的可探测性如何？
• RQ3 在21厘米与星系巡天的交叉相关中，引力透镜放大的测量精度能达到多高？
• RQ4 若在建模中忽略相对论效应（如透镜与多普勒频移），对fNL估计的偏差程度如何？
• RQ5 多探针技术在超大尺度上如何提升对系统误差与宇宙方差的鲁棒性？

主要发现

• 低红移与高红移21厘米与星系巡天的完整组合实现了σ(fNL) ≈ 1.5的预测精度，优于普朗克（Planck）的约束，提升三倍以上。
• 多普勒效应可实现约8的信噪比，表明对径向速度效应具有高度敏感性。
• 在完整的多探针组合中，引力透镜放大的测量精度达到2%，仅使用Hα巡天即可实现4%的精度。
• 在最高与最低红移区间（zA1, zAn）的相关中，透镜贡献占主导，与其中沿视线积分的特性一致。
• 多探针方法接近理论信息极限，因为fNL的边缘误差与条件误差极为接近。
• 若忽略相对论效应，fNL的最佳拟合值与标准宇宙学参数将产生显著偏差，如附录论文[48]所示。