[论文解读] Self calibration of galaxy bias in spectroscopic redshift surveys of baryon acoustic oscillations

Pengjie Zhang|ArXiv.org|Feb 18, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 22被引用 3

一句话总结

本文提出了一种利用红移空间畸变在光谱红移巡天中对星系偏置进行自校准的方法，通过同时测量星系、速度和真实空间功率谱，实现对尺度依赖性偏置和随机性的模型无关校准，使平方公里阵列（SKA）的BAO峰位置校正精度达到1%，并首次实现对速度功率谱中BAO的探测。

ABSTRACT

Baryon acoustic oscillation (BAO) is a powerful probe on the expansion of the universe, shedding light on elusive dark energy and gravity at cosmological scales. BAO measurements through biased tracers of the underlying matter density field, as most proposals do, can reach high statistical accuracy. However, possible scale dependence in bias may induce non-negligible systematical errors, especially for the most ambitious spectroscopic surveys proposed. We show that precision spectroscopic redshift information available in these surveys allows for {\it self calibration} of the galaxy bias and its stochasticity, as function of scale and redshift. Through the effect of redshift distortion, one can simultaneously measure the real space power spectra of galaxies, galaxy-velocity and velocity, respectively. At relevant scales of BAO, galaxy velocity faithfully traces that of the underlying matter. This valuable feature enables a rather model independent way to measure the galaxy bias and its stochasticity by comparing the three power spectra. For the square kilometer array (SKA), this self calibration is statistically accurate to correct for 1% level shift in BAO peak positions induced by bias scale dependence. Furthermore, we find that SKA is able to detect BAO in the velocity power spectrum, opening a new window for BAO cosmology.

研究动机与目标

• 解决大规模光谱巡天中高精度BAO测量因尺度依赖性星系偏置引起的系统误差问题。
• 开发一种利用红移空间畸变效应进行星系偏置及其随机性的模型无关校准方法。
• 实现在速度功率谱中精确测量BAO，为宇宙学约束开辟新途径。
• 评估利用未来巡天（如SKA）在速度场中探测BAO的可行性。
• 量化在即将开展的高容量巡天背景下，偏置自校准的统计精度。

提出的方法

• 利用高精度光谱红移数据提取星系的红移空间功率谱、星系-速度互相关谱以及速度自相关谱。
• 利用星系速度在BAO尺度上追踪潜在物质速度的事实，通过比较功率谱以分离偏置效应。
• 同时测量真实空间星系功率谱、星系-速度互相关功率谱以及速度自相关功率谱，以解耦偏置与随机性。
• 将此三谱比较方法应用于重建真实物质速度功率谱，并在不依赖理论模型的前提下校准偏置。
• 利用重建的速度功率谱独立探测BAO特征，而不依赖星系密度场。
• 评估速度重建中的统计误差预算与宇宙方差限制，识别出对更优速度测量技术的需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 光谱巡天中的红移空间畸变是否能够实现无需外部建模的尺度依赖性星系偏置自校准？
• RQ2 速度功率谱在多大程度上可独立于星系密度场探测BAO特征？
• RQ3 未来巡天（如SKA）中偏置校准可达到何种统计精度？
• RQ4 中性氢选源的星系集群强度如何影响基于速度的BAO测量的可行性？
• RQ5 从红移畸变中重建速度功率谱的主要误差来源是什么？

主要发现

• 该自校准方法的统计精度足以校正平方公里阵列（SKA）巡天中因尺度依赖性偏置导致的1% BAO峰位置偏移。
• 通过比较红移空间中星系、速度与互相关功率谱，该方法实现了对星系偏置及其随机性的模型无关测量。
• 从红移畸变重建的速度功率谱中可探测到BAO特征，为宇宙学提供新探针。
• SKA选源的低质量、弱聚集星系（偏置低至b_g ~ 0.6）可使速度场中BAO测量精度提高约2倍。
• 重建速度功率谱的统计误差约为宇宙方差的十倍，表明亟需改进速度测量技术。
• 结合来自星系与速度功率谱的BAO测量，可同时推断初始涨落、结构增长与宇宙几何。