[论文解读] The Synergy between Weak Lensing and Galaxy Redshift Surveys

Roland de Putter, Olivier Doré+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2013

Astronomy and Astrophysical Research被引用 7

一句话总结

本文研究了将弱引力透镜（WL）与红移星系聚类（GC）巡天联合使用在约束暗能量和修正引力方面的协同潜力。基于SuMIRe、EUCLID和WFIRST等未来巡天的费舍尔矩阵预测，结果表明，与单独使用任一探针相比，WL+GC联合使用可使暗能量的综合指标提升最多2.5倍，当将增长速率 $f(z)$ 视为自由函数时，其约束精度可达百分之几的水平——尽管巡天重叠区域带来的增益微乎其微，但凸显了二者之间强大的互补性。

ABSTRACT

We study the complementarity of weak lensing (WL) and spectroscopic galaxy clustering (GC) surveys, by forecasting dark energy and modified gravity constraints for three upcoming survey combinations: SuMIRe (Subaru Measurement of Images and Redshifts, the combination of the Hyper Suprime-Cam lensing survey and the Prime Focus Spectrograph redshift survey), EUCLID and WFIRST. From the WL surveys, we take into account both the shear and clustering of the source galaxies and from the GC surveys, we use the three-dimensional clustering of spectroscopic galaxies, including redshift space distortions. A CMB prior is included in all cases. Focusing on the large-scale, two-point function information, we find strong synergy between the two probes. The dark energy figure of merit from WL+GC is up to a factor ~2.5 larger than from either probe alone. Considering modified gravity, if the growth factor f(z) is treated as a free function, it is very poorly constrained by WL or GC alone, but can be measured at the few percent level by the combination of the two. On the other hand, for cosmological constraints derived from (angular) power spectra and considering statistical errors only, it hardly matters whether the surveys overlap on the sky or not. For instance, the dark energy figure of merit for overlapping surveys is at most ~20 % better than in the disjoint case. This modest gain can be traced to the fundamental fact that only a small fraction of the total number of modes sampled by the GC survey (or by the WL survey) contributes to the cross-correlations between WL and GC.

研究动机与目标

• 量化结合弱引力透镜与光谱星系聚类巡天在宇宙学约束方面的改进程度。
• 评估WL与GC巡天在天空覆盖区域重叠时，是否相较于非重叠巡天具有显著的统计优势。
• 评估WL+GC联合使用在约束暗能量和修正引力方面的性能，特别是将增长速率 $f(z)$ 视为自由函数时的表现。
• 解决先前文献中关于‘同天空’优势在交叉相关预测中存在分歧的问题。
• 考察两点统计量（角功率谱与三维功率谱）在CMB先验和大尺度假设下对协同效应强度的影响。

提出的方法

• 使用费舍尔矩阵预测，对三种未来巡天组合（SuMIRe、EUCLID、WFIRST）的宇宙学约束进行投影。
• 对WL巡天中的宇宙畸变（弱引力透镜）和源星系聚类进行建模，对GC巡天中的三维星系聚类及红移空间畸变进行建模。
• 应用Limber近似计算角功率谱，并在所有预测中引入CMB先验。
• 比较重叠与非重叠巡天区域的约束结果，重点关注WL与GC场之间的交叉相关。
• 通过改变 $k_{\text{max}}$（0.1–0.2 h/Mpc）进行敏感性测试，评估非线性尺度建模的影响。
• 复现并对比先前工作（如Kirk等，2013年）以探究同天空优势估计差异的原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单独使用任一探针相比，结合弱引力透镜与星系红移巡天在约束暗能量方面能提升多少？
• RQ2 WL与GC巡天的空间重叠在多大程度上能提升宇宙学约束，超越单纯增加天空覆盖面积的收益？
• RQ3 当将结构增长速率 $f(z)$ 视为自由函数时，能否利用WL+GC数据将其约束在百分之几的水平？
• RQ4 为何一些研究报告称‘同天空’优势显著（如提升3–5倍），而本研究及其他研究仅发现约20%的微小增益？
• RQ5 不同的建模选择（如使用角功率谱与三维功率谱、$k_{\text{max}}$ 截断值）如何影响预测的协同效应？

主要发现

• 结合弱引力透镜与星系聚类巡天所获得的暗能量综合指标，最高可达单独使用任一探针时的2.5倍。
• 当 $f(z)$ 被视为自由函数时，WL或GC单独均难以有效约束该参数，但联合使用可将约束精度提升至百分之几的水平。
• 巡天重叠带来的改进极为有限——重叠巡天与非重叠巡天相比，综合指标最多仅提升20%，原因在于仅有少量共享模态贡献于交叉相关。
• 这种微小增益并非源于对非线性尺度建模过于乐观，因为即使将 $k_{\text{max}} = 0.1~h/\text{Mpc}$ 重新计算，重叠优势依然可忽略不计。
• 与先前研究（如Kirk等，2013年）相比，若其报告了更大的同天空优势，可能源于建模假设的差异，尤其是角功率谱处理方式的不同。
• 小尺度聚类与星系-晕关联信息（例如通过光谱星系与测光或引力透镜星系的交叉相关）带来的协同效应具有潜力，但需要巡天区域重叠及对非线性物理过程的更精确建模。