[论文解读] SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Analysis of Potential Systematics in Fitting of Baryon Acoustic Feature

M. Vargas-Magaña, Shirley Ho+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 6被引用 9

一句话总结

本文评估了在SDSS-III BOSS巡天中利用各向异性红移畸变测量重子声波振荡（BAO）特征时的系统性误差。基于DR10和DR11数据及模拟星系星历表，结果表明，基准多极矩拟合方法在0.1%–0.2%水平上具有鲁棒性，距离测量的系统性不确定度远低于1%的统计误差，确保了其在精确宇宙学中的可靠性。

ABSTRACT

Extraction of the Baryon Acoustic Oscillations (BAO) to percent level accuracy is challenging and demands an understanding of many potential systematic to an accuracy well below 1 per cent, in order ensure that they do not combine significantly when compared to statistical error of the BAO measurement. Sloan Digital Sky Survey (SDSS)-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) SDSS Data Release Eleven (DR11) reaches a distance measurement with $\sim 1\%$ statistical error and this prompts an extensive search for all possible sub-percent level systematic errors which could be safely ignored previously. In this paper, we analyze the potential systematics in BAO fitting methodology using mocks and data from BOSS DR10 and DR11. We demonstrate the robustness of the fiducial multipole fitting methodology to be at $0.1\%-0.2\%$ level with a wide range of tests in mock galaxy catalogs pre- and post-reconstruction. We also find the DR10 and DR11 data from BOSS to be robust against changes in methodology at similar level. This systematic error budget is incorporated into the the error budget of Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) DR10 and DR11 BAO measurements. Of the wide range of changes we have investigated, we find that when fitting pre-reconstructed data or mocks, the following changes have the largest effect on the best fit values of distance measurements both parallel and perpendicular to the line of sight: (a) Changes in non-linear correlation function template; (b) Changes in fitting range of the correlation function; (c) Changes to the non-linear damping model parameters. The priors applied do not matter in the estimates of the fitted errors as long as we restrict ourselves to physically meaningful fitting regions.[abridged]

研究动机与目标

• 评估在子百分之一水平上BAO拟合方法可能存在的系统性误差，这对BOSS DR10和DR11的精确宇宙学研究至关重要。
• 检验基准多极矩拟合方法在各向异性红移畸变分析中对拟合参数和模型假设变化的鲁棒性。
• 对比多极矩与相关函数楔形法两种方法在BAO距离尺度估计中的一致性与偏差。
• 量化由于自相关函数模板、拟合范围及非线性阻尼模型变化所导致的α∥和α⊥（平行与垂直距离偏移）的系统性不确定度。
• 将所得系统性误差预算整合至BOSS DR10和DR11的最终BAO测量结果中，确保总误差控制在1%以下。

提出的方法

• 采用Xu等人（2012年）提出的方法，对星系自相关函数进行多极矩分解，作为基准拟合方法。
• 同时应用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）与基于网格的参数估计方法，以评估拟合过程的数值稳定性和收敛性。
• 利用SDSS-III BOSS DR10和DR11的重建前与重建后模拟星系星历表，测试对重建效应和模型假设的敏感性。
• 系统性地改变关键拟合组件：非线性自相关函数模板、拟合范围及非线性阻尼模型参数，同时保持先验在物理合理范围内。
• 将多极矩方法的结果与替代的聚类楔形法进行比较，以评估不同方法间的一致性与潜在偏差。
• 通过计算多种测试配置下中位数差异与离散度，量化最佳拟合α∥与α⊥参数的系统性误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在各向异性红移畸变中，基准多极矩拟合方法在0.1%–0.2%水平上的鲁棒性如何？
• RQ2 在非线性模板、拟合范围与阻尼模型中，哪一参数对测量的α∥与α⊥影响最大？
• RQ3 不同的数值实现方式（MCMC与基于网格）如何影响恢复的BAO距离尺度及其不确定性？
• RQ4 聚类楔形法与多极矩法在最佳拟合α值及其误差上的一致性如何？
• RQ5 考虑到拟合方法的变化，BOSS DR10和DR11中BAO距离测量的总系统性误差预算是多少？

主要发现

• 基准多极矩拟合方法在α∥与α⊥上均表现出0.1%–0.2%水平的鲁棒性，MCMC与基于网格方法之间的中位数差异在重建前低于0.3%，重建后低于0.1%。
• MCMC与基于网格方法的拟合误差高度相关，重建后α∥与α⊥的离散度分别为0.2%与0.1%，表明具有高度的数值稳定性。
• 聚类楔形法与多极矩法结果一致，重建前α∥与α⊥的中位数差异分别为0.7%与0.4%，重建后分别降低至0.3%与0.1%。
• 两种方法间拟合误差的差异较小，重建前Δσα∥ = 0.8%，Δσα⊥ = 0.3%，重建后均降至≤0.5%。
• 对α影响最大的系统性效应来自非线性自相关函数模板、拟合范围及非线性阻尼模型参数的变化，而只要先验保持物理合理，其本身对结果无显著影响。
• 总系统性误差预算估计为0.3%（0.2%与0.2%的平方和开方），远低于1%的统计误差，证实该方法在当前及未来精确宇宙学分析中的可靠性。