[论文解读] The Completed SDSS-IV Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Growth rate of structure measurement from cosmic voids

M Aubert, Marie-Claude Cousinou+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 111被引用 49

一句话总结

本论文首次基于已完成的SDSS-IV eBOSS DR16巡天，利用星系-空洞互相关中的红移空间畸变测量了结构增长速率。该研究通过星系-空洞互相关中的红移空间畸变约束了增长速率，报告了在z=0.74（LRG+CMASS）时fσ8 = 0.50 ± 0.11，在z=0.85（ELG）时fσ8 = 0.52 ± 0.10，在z=1.48（QSO）时fσ8 = 0.30 ± 0.13，结果与传统聚类方法一致，证明空洞是探测宇宙结构增长的有力候选工具。

ABSTRACT

We present a void clustering analysis in configuration-space using the completed Sloan Digital Sky Survey IV (SDSS-IV) extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) DR16 samples. These samples consist of Luminous Red Galaxies (LRG) combined with the high redshift tail of the SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) DR12 CMASS galaxies (called as LRG+CMASS sample), Emission Line Galaxies (ELG) and quasars (QSO). We build void catalogues from the three eBOSS DR16 samples using a ZOBOV-based algorithm, providing 2,814 voids, 1,801 voids and 4,347 voids in the LRG+CMASS, ELG and QSO samples, respectively, spanning the redshift range $0.6<z<2.2$. We measure the redshift space distortions (RSD) around voids using the anisotropic void-galaxy cross-correlation function and we extract the distortion parameter $\beta$. We test the methodology on realistic simulations before applying it to the data, and we investigate all our systematic errors on these mocks. We find $\beta^{ m LRG}(z=0.74)=0.415\pm0.087$, $\beta^{ m ELG}(z=0.85)=0.665\pm0.125$ and $\beta^{ m QSO}(z=1.48)=0.313\pm0.134$, for the LRG+CMASS, ELG and QSO sample, respectively. The quoted errors include systematic and statistical contributions. In order to convert our measurements in terms of the growth rate $f\sigma_8$, we use consensus values of linear bias from the eBOSS DR16 companion papers~\citep{eBOSScosmo}, resulting in the following constraints: $f\sigma_8(z=0.74)=0.50\pm0.11$, $f\sigma_8(z=0.85)=0.52\pm0.10$ and $f\sigma_8(z=1.48)=0.30\pm0.13$. Our measurements are consistent with other measurements from eBOSS DR16 using conventional clustering techniques.

研究动机与目标

• 利用已完成的eBOSS DR16巡天，通过宇宙空洞作为探针测量宇宙结构的增长速率。
• 利用真实N体模拟测试基于空洞的红移空间畸变（RSD）分析对系统误差的鲁棒性。
• 通过空洞-星系互相关函数提供fσ8的独立约束，补充传统的星系聚类技术。
• 证明空洞在大尺度结构巡天中作为有力宇宙学探针的可行性，特别是在未来高精度巡天中。

提出的方法

• 使用ZOBOV算法从eBOSS DR16样本（LRG+CMASS、ELG、QSO）构建空洞星表，在0.6 < z < 2.2红移范围内分别识别出2,814个、1,801个和4,347个空洞。
• 在配置空间测量空洞-星系互相关函数的各向异性，以提取红移空间畸变（RSD）和畸变参数β。
• 应用线性RSD模型（Cai et al. 2016）将β与增长速率关联，并通过真实N体模拟测试系统误差。
• 利用eBOSS DR16合作者论文中达成共识的线性偏置值，将β转换为fσ8测量结果。
• 量化空洞探测、几何形状和密度场重建带来的系统不确定性，并通过模拟巡天验证方法。
• 将三种示踪源（LRG+CMASS、ELG、QSO）的结果合并，提供fσ8的红移依赖性约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空洞-星系互相关函数中，通过红移空间畸变分析，宇宙空洞能否提供对结构增长速率fσ8的有力约束？
• RQ2 空洞探测和密度场重建中的系统误差如何影响测得的增长速率，能否可靠地量化？
• RQ3 基于空洞的fσ8测量结果是否与同一eBOSS DR16数据集中使用传统星系聚类技术获得的结果一致？
• RQ4 空洞基测量是否对低密度区域的结构增长敏感，从而为高密度区域星系聚类提供互补检验？
• RQ5 鉴于未来巡天（如DESI和Euclid）预计空洞数量增加且统计误差减小，空洞能否作为未来巡天中稳健的宇宙学探针？

主要发现

• 测得的畸变参数为β(LRG+CMASS, z=0.74) = 0.415 ± 0.087，β(ELG, z=0.85) = 0.665 ± 0.125，β(QSO, z=1.48) = 0.313 ± 0.134，误差包含统计与系统误差的综合贡献。
• 在使用eBOSS DR16合作者论文中达成共识的线性偏置值将β转换为fσ8后，约束结果为fσ8(z=0.74) = 0.50 ± 0.11，fσ8(z=0.85) = 0.52 ± 0.10，fσ8(z=1.48) = 0.30 ± 0.13。
• 基于空洞的fσ8测量结果与同一eBOSS DR16数据集中通过传统星系聚类方法获得的结果一致。
• DR16中更优的统计量——LRG+CMASS样本中2,814个空洞，QSO样本中4,347个空洞——相比DR14显著提升，提高了精度并降低了统计不确定性。
• 该方法通过真实模拟验证成功控制了系统误差，证实其在宇宙学推断中的鲁棒性。
• 结果证实，宇宙空洞是测量结构增长速率的可行且互补的探针，尤其适用于低密度区域，且非常适合下一代巡天。