[论文解读] Systematic-free inference of the cosmic matter density field from SDSS3-BOSS data

Guilhem Lavaux, Jens Jasche+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用 27

一句话总结

本文提出了一种基于borg算法的无系统误差贝叶斯正向建模方法，利用SDSS-III/BOSS星系数据重建宇宙物质密度场，考虑了红移空间畸变、光锥效应、选源函数以及已知和未知的系统误差。主要结果是获得了与普朗克2018年弱引力透镜图近乎完美的相关性，验证了该重建结果在物理上合理且无系统误差。

ABSTRACT

We perform an analysis of the three-dimensional cosmic matter density field traced by galaxies of the SDSS-III/BOSS galaxy sample. The systematic-free nature of this analysis is confirmed by two elements: the successful cross-correlation with the gravitational lensing observations derived from Planck 2018 data and the absence of bias at scales $k \simeq 10^{-3}-10^{-2}h$ Mpc$^{-1}$ in the a posteriori power spectrum of recovered initial conditions. Our analysis builds upon our algorithm for Bayesian Origin Reconstruction from Galaxies (BORG) and uses a physical model of cosmic structure formation to infer physically meaningful cosmic structures and their corresponding dynamics from deep galaxy observations. Our approach accounts for redshift-space distortions and light-cone effects inherent to deep observations. We also apply detailed corrections to account for known and unknown foreground contaminations, selection effects and galaxy biases. We obtain maps of residual, so far unexplained, systematic effects in the spectroscopic data of SDSS-III/BOSS. Our results show that unbiased and physically plausible models of the cosmic large scale structure can be obtained from present and next-generation galaxy surveys.

研究动机与目标

• 为克服大尺度结构巡天中系统误差对宇宙学推断造成的偏差，尤其是低k波数区域的偏差。
• 从像SDSS-III/BOSS这样的深星系巡天中，发展一种物理解释一致、无系统误差的宇宙物质密度场重建方法。
• 将推断出的物质分布与普朗克2018年独立的弱引力透镜测量结果进行验证。
• 使下一代巡天（如欧几里得和LSST）能够实现无偏宇宙学推断，这些巡天将主要受系统误差而非噪声主导。
• 证明可通过贝叶斯物理正向建模可靠提取丝状物质分布的高阶统计特性。

提出的方法

• 采用borg算法进行贝叶斯星系起源重建，以推断宇宙结构形成初期的初始条件与动力学特征。
• 应用稳健的泊松似然函数处理数据中未知的系统误差，从而降低对推断功率谱的偏差。
• 采用含14个参数的多幂律星系偏置模型，按红移分箱处理非线性和非局域偏置效应，实现两级分辨率建模。
• 将SDSS-III/BOSS数据划分为八个近似等距的红移分箱，以分别建模红移依赖的偏置与选源效应。
• 同时推断11个已知前景模板的幅度与各星系子样本的未知噪声水平，以校正污染影响。
• 在物理正向建模框架中自洽地考虑了巡天几何、光锥效应与红移空间畸变。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用贝叶斯物理正向建模方法，从SDSS-III/BOSS数据中实现无系统误差的宇宙物质密度场重建？
• RQ2 稳健泊松似然函数在多大程度上减轻了未知系统误差对大尺度结构推断的影响？
• RQ3 推断出的物质密度场与普朗克2018年独立弱透镜观测的相关性如何？
• RQ4 是否可以在不依赖预处理图或信噪比主导方法的前提下，恢复出物理解释合理且无偏的大尺度结构模型？
• RQ5 多幂律偏置模型在捕捉多红移分箱中非线性和红移演化星系偏置方面的表现如何？

主要发现

• 重建的宇宙物质密度场与普朗克2018年弱透镜图近乎完美对齐，证实了推断结果的物理解释有效性与无系统误差特性。
• 初始条件的后验功率谱在波数范围 $k \simeq 10^{-3}-10^{-2}$ $h$ Mpc$^{-1}$ 内无偏差，证实了残余系统误差的缺失。
• 该方法成功处理了红移空间畸变、光锥效应、巡天几何以及已知与未知的前景污染源。
• 采用稳健泊松似然函数有效抑制了未知系统误差的影响，防止了对大尺度动力学的错误重建。
• 含14个参数的多幂律偏置模型成功捕捉了非线性和非局域偏置效应，提升了重建的保真度。
• 该分析在约15.6 $h^{-1}$ Mpc的空间分辨率下，于4,000 $h^{-1}$ Mpc$^3$ 的共动体积内实现了物理解释合理的大型结构重建，同时处理了北天与南天银极区域的数据。