[论文解读] Seeing in the dark -- II. Cosmic shear in the Sloan Digital Sky Survey

Eric Huff, T. F. Eifler+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用 7

一句话总结

本文基于斯隆数字巡天（SDSS）在168平方度范围内的叠加影像，提出了一种宇宙引力透镜效应测量方法，采用一种新颖的PSF匹配技术以抑制大气和仪器引起的系统误差。在WMAP7先验条件下，分析得到最佳拟合σ₈ = 0.636⁺⁰.¹⁰⁹₋₀.¹⁵⁴（1σ），对Ωₘh²和σ₈的约束比仅使用WMAP7时更紧密14%–17%，证明了该方法在未来的弱引力透镜巡天中具有鲁棒性。

ABSTRACT

Statistical weak lensing by large-scale structure -- cosmic shear -- is a promising cosmological tool, which has motivated the design of several large upcoming surveys. Here, we present a measurement of cosmic shear using coadded Sloan Digital Sky Survey (SDSS) imaging in 168 square degrees of the equatorial region, with r<23.5 and i<22.5, a source number density of 2.2 galaxies per square arcminute and median redshift of 0.52. These coadds were generated using a new method described in the companion Paper I that was intended to minimise systematic errors in the lensing measurement due to coherent PSF anisotropies that are otherwise prevalent in the SDSS imaging data. We present measurements of cosmic shear out to angular separations of 2 degrees, along with systematics tests that (combined with those from Paper I on the catalogue generation) demonstrate that our results are dominated by statistical rather than systematic errors. Assuming a cosmological model corresponding to WMAP7 and allowing only the amplitude of matter fluctuations to vary, we find a best-fit value of sigma_8=0.636 +0.109 -0.154 (1-sigma); without systematic errors this would be sigma_8=0.636 +0.099 -0.137 (1-sigma). Assuming a flat LCDM model, the combined constraints with WMAP7 are sigma_8=0.784 +0.028 -0.026 (1-sigma), +0.055 -0.054 (2-sigma) and Omega_m h^2=0.1303 +0.0047 -0.0048 (1-sigma)+0.009 -0.009 (2-sigma); the 2-sigma error ranges are respectively 14 and 17 per cent smaller than WMAP7 alone. Aside from the intrinsic value of such cosmological constraints from the growth of structure, we identify some important lessons for upcoming surveys that may face similar issues when combining multi-epoch data to measure cosmic shear.

研究动机与目标

• 利用SDSS叠加影像测量宇宙引力透镜效应，以提高信噪比并减少系统误差。
• 减轻多epoch SDSS影像中相干PSF各向异性的系统误差，这些误差可能对弱引力透镜测量造成偏差。
• 通过结合本研究与配套论文（论文I）中的系统误差测试，验证弱引力透镜测量的鲁棒性。
• 利用结构增长的宇宙学约束，基于叠加SDSS数据对σ₈和Ωₘh²提供比先前WMAP7结果更精确的约束。
• 为未来如HSC、DES和LSST等巡天项目提供方法论启示，以处理多epoch叠加影像中的弱引力透镜分析。

提出的方法

• 在168 deg²范围内，对r波段和i波段的SDSS叠加影像应用PSF匹配技术，通过施加平滑核函数使单个曝光的点扩散函数（PSFs）对齐。
• 采用论文I中提出的新颖叠加方法，以最小化标准SDSS影像中普遍存在的相干PSF各向异性引起的系统误差。
• 使用在模拟星系上校准的形状测量流程估算剪切，并对PSF引起的畸变进行细致建模。
• 利用PRIMUS巡天的光度红移估计中值源红移（zₘₑd = 0.52），并计算临界表面密度Σcrit。
• 开展广泛的系统误差测试，包括剪切相关函数检验和零检验，以确保结果主要由统计误差主导而非系统误差。
• 将宇宙引力透镜约束与WMAP7先验结合，在平坦ΛCDM模型中推导出σ₈和Ωₘh²的联合约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSF匹配叠加技术能否有效降低多epoch SDSS影像中相干PSF各向异性引起的系统误差，从而实现稳健的宇宙引力透镜效应测量？
• RQ2 从叠加SDSS数据的宇宙引力透镜效应中得出的σ₈和Ωₘh²的宇宙学约束是什么？与仅使用WMAP7的结果相比有何差异？
• RQ3 宇宙引力透镜效应结果在多大程度上受限于统计误差或系统误差？系统误差是否可被可靠抑制？
• RQ4 PSF匹配叠加方法在具有更好视宁度和更深影像的未来巡天中性能如何扩展？
• RQ5 本分析可为HSC、DES和LSST等未来弱引力透镜巡天提供哪些关于处理多epoch影像和PSF系统误差的方法论启示？

主要发现

• 宇宙引力透镜效应测量成功扩展至2度的角距离，源星系数密度为每平方弧分2.2个，中值源红移为zₘₑd = 0.52。
• 在WMAP7宇宙学模型下，σ₈作为自由参数，最佳拟合值为σ₈ = 0.636⁺⁰.¹⁰⁹₋₀.¹⁵⁴（1σ），系统误差使精度相比统计极限降低约10%。
• 在平坦ΛCDM模型中，联合约束结果为σ₈ = 0.784⁺⁰.⁰²⁸₋⁰.⁰²⁶（1σ）和Ωₘh² = 0.1303⁺⁰.⁰⁰⁴⁷₋⁰.⁰⁰⁴⁸（1σ），2σ误差范围分别比仅使用WMAP7时缩小14%和17%。
• 系统误差被证实为次要因素，经由全面的系统误差测试（包括零检验和剪切相关函数一致性检查）得到验证。
• PSF匹配叠加方法能有效抑制PSF引起的系统误差，即使在原始SDSS数据存在视宁度变化和PSF各向异性挑战的情况下，仍可实现高保真度的弱引力透镜测量。
• 该方法可迁移至未来视宁度更优（如HSC、LSST）的巡天中，可能在保留形状信息的同时消除PSF系统误差，也可作为加性PSF误差的诊断工具。