[论文解读] The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: double-probe measurements from BOSS galaxy clustering \& Planck data -- towards an analysis without informative priors

Marcos Pellejero-Ibáñez, Chia-Hsun Chuang+29 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出了一种双探针分析方法，通过结合BOSS星系团聚和Planck CMB数据，在不依赖对Ωbh²和ns等参数的先验假设的情况下，最小化信息性先验，从而推导出宇宙学约束。该方法得出稳健、模型无关的约束结果，未发现与平坦ΛCDM模型存在矛盾，并在ΛCDM框架下对中微子质量给出紧致限制：Σmν < 0.10 eV（68%置信度）。

ABSTRACT

We develop a new methodology called double-probe analysis with the aim of minimizing informative priors in the estimation of cosmological parameters. We extract the dark-energy-model-independent cosmological constraints from the joint data sets of Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) galaxy sample and Planck cosmic microwave background (CMB) measurement. We measure the mean values and covariance matrix of $\{R$, $l_a$, $\Omega_b h^2$, $n_s$, $log(A_s)$, $\Omega_k$, $H(z)$, $D_A(z)$, $f(z)\sigma_8(z)\}$, which give an efficient summary of Planck data and 2-point statistics from BOSS galaxy sample, where $R=\sqrt{\Omega_m H_0^2}\,r(z_*)$, and $l_a=\pi r(z_*)/r_s(z_*)$, $z_*$ is the redshift at the last scattering surface, and $r(z_*)$ and $r_s(z_*)$ denote our comoving distance to $z_*$ and sound horizon at $z_*$ respectively. The advantage of this method is that we do not need to put informative priors on the cosmological parameters that galaxy clustering is not able to constrain well, i.e. $\Omega_b h^2$ and $n_s$. Using our double-probe results, we obtain $\Omega_m=0.304\pm0.009$, $H_0=68.2\pm0.7$, and $\sigma_8=0.806\pm0.014$ assuming $\Lambda$CDM; and $\Omega_k=0.002\pm0.003$ and $w=-1.00\pm0.07$ assuming o$w$CDM. The results show no tension with the flat $\Lambda$CDM cosmological paradigm. By comparing with the full-likelihood analyses with fixed dark energy models, we demonstrate that the double-probe method provides robust cosmological parameter constraints which can be conveniently used to study dark energy models. We extend our study to measure the sum of neutrino mass and obtain $\Sigma m_ u<0.10/0.22$ (68\%/95\%) assuming $\Lambda$CDM and $\Sigma m_ u<0.26/0.52$ (68\%/95\%) assuming $w$CDM. This paper is part of a set that analyses the final galaxy clustering dataset from BOSS.

研究动机与目标

• 开发一种宇宙学分析方法，以减少对星系团聚数据中约束较差的参数（如Ωbh²和ns）的信息性先验依赖。
• 利用联合BOSS和Planck数据，实现对暗能量和曲率的模型无关约束。
• 在不假设固定暗能量模型的前提下，提供对宇宙学参数（特别是Ωm、H₀、σ8和Σmν）的稳健、可复现的约束。
• 将双探针方法与全似然法和单探针方法进行比较，评估其在中微子质量约束方面的表现。

提出的方法

• 提出一种双探针分析方法，将Planck CMB数据和BOSS星系团聚两两点统计量总结为一组9个参数：{R, la, Ωbh², ns, log(As), Ωk, H(z), DA(z), f(z)σ8(z)}。
• 使用CMB偏移参数 R = √(ΩmH₀²r(z*)), la = πr(z*)/rs(z*)，其中z*为最后散射红移。
• 提取总结参数的均值和协方差矩阵，以表示联合数据，而无需完整似然评估。
• 通过不在总结集中包含Ωbh²和ns，避免对这两个参数的信息性先验，从而在保留Planck信息的同时最小化模型依赖性。
• 进行全似然分析和单探针分析作为对比，验证双探针结果的稳健性。
• 将该方法应用于在各种暗能量模型下约束中微子质量之和（Σmν）。

实验结果

研究问题

• RQ1 双探针方法能否减少宇宙学参数估计中对信息性先验的依赖？
• RQ2 双探针方法所得的宇宙学约束与全似然法和单探针分析相比如何？
• RQ3 在ΛCDM、wCDM及其他暗能量模型下，该方法对Ωm、H₀、σ₈和Ωk的稳健约束为何？
• RQ4 与其它方法相比，双探针方法在中微子质量之和上能给出多高的上限？
• RQ5 双探针方法的结果是否与标准平坦ΛCDM模型一致？

主要发现

• 在ΛCDM模型下，双探针方法得出Ωm = 0.304 ± 0.009，H₀ = 68.2 ± 0.7，σ₈ = 0.806 ± 0.014，结果与标准范式无矛盾。
• 在oCDM模型下，Ωk = 0.002 ± 0.003；在wCDM模型下，w = -1.04 ± 0.06；在owCDM模型下，w = -1.00 ± 0.07，所有结果均与平坦ΛCDM一致。
• 在w0waCDM模型下，约束结果为w₀ = -0.84 ± 0.22 和 wa = -0.66 ± 0.68，表明与w = -1无显著偏离。
• 由于Σmν未包含在总结集中，双探针方法对Σmν的约束弱于全似然分析，这符合预期。
• 在ΛCDM下，Σmν的68%上限为0.10 eV（95%上限为0.22 eV）；在wCDM下，上限为0.26 eV（95%上限为0.52 eV），结果与零中微子质量一致。
• 双探针方法的结果稳健，且与全似然分析相当，验证了其在无需信息性先验的前提下用于暗能量模型检验的有效性。