[论文解读] Will Kinematic Sunyaev-Zel'dovich Measurements Enhance the Science Return from Galaxy Redshift Surveys?

Naonori S. Sugiyama, Teppei Okumura+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2016

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

该论文表明，将动力学太阳-泽尔多维奇（kSZ）测量与星系红移巡天相结合，可显著增强对增长速率 $f$ 和哈勃参数 $H$ 的宇宙学约束。通过建模到四极矩的各向同性成对kSZ功率谱，并对不确定的光学厚度 $\tau_{\rm T}$ 进行边缘化，作者表明联合分析相比仅使用星系巡天，可将 $H$ 和 $f$ 的 1-$\sigma$ 误差降低 50–70%。

ABSTRACT

Yes. Future CMB experiments such as Advanced ACTPol and CMB-S4 should achieve measurements with S/N of $> 0.1$ for the typical galaxies in redshift surveys. These measurements will provide complementary measurements of the growth rate of large scale structure $f$ and the expansion rate of the Universe $H$ to galaxy clustering measurements. This paper emphasizes that there is significant information in the anisotropy of the relative pairwise kSZ measurements. We expand the relative pairwise kSZ power spectrum in Legendre polynomials and consider up to its octopole. Assuming that the noise in the filtered maps is uncorrelated between the positions of galaxies in the survey, we derive a simple analytic form for the power spectrum covariance of the relative pairwise kSZ temperature in redshift space. While many previous studies have assumed optimistically that the optical depth of the galaxies $\ au_{\ m T}$ in the survey is known, we marginalize over $\ au_{\ m T}$, to compute constraints on the growth rate $f$ and the expansion rate $H$. For realistic sure parameters, we find that combining kSZ and galaxy redshift survey data reduces the marginalized $1$-$\\sigma$ errors on $H$ and $f$ by $\\sim50$-$70\\%$ compared to the galaxy-only analysis.

研究动机与目标

• 评估未来CMB实验的kSZ测量是否能改善星系红移巡天的宇宙学约束。
• 在红移空间中建模各向同性的相对成对kSZ功率谱，包含至八极矩。
• 在现实噪声假设下，推导kSZ功率谱的解析协方差矩阵。
• 对不确定的光学厚度 $\tau_{\rm T}$ 进行边缘化，以获得对 $f$ 和 $H$ 的稳健约束。
• 量化结合kSZ与星系聚类数据时，误差约束的改善程度。

提出的方法

• 将相对成对kSZ温度展开至勒让德多项式至 $\ell=3$，以捕捉各向异性聚类效应。
• 在星系位置之间噪声不相关的假设下，推导功率谱协方差的解析表达式。
• 使用费雪矩阵分析计算参数约束，其中包含功率谱对 $D_{\rm A}$、$H$、$f$、$b$ 和 $\tau_{\rm T}$ 的偏导数。
• 使用 $K_\ell^{(n)}$ 因子在红移空间中建模线性凯泽偏置和速度偏置，以关联晕与物质的功率谱。
• 假设 $\vec{v} \propto f$，与广义相对论一致，并从模拟的功率谱中推导 $\partial P / \partial \ln f$。
• 通过积分 $\tau_{\rm T}$ 对 $H$ 和 $f$ 的误差进行边缘化，避免假设 $\tau_{\rm T}$ 已知的乐观情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来CMB实验（如Advanced ACTPol和CMB-S4）的kSZ测量能否提供有意义的宇宙学约束？
• RQ2 相对成对kSZ信号的各向异性（至八极矩）如何增强对 $f$ 和 $H$ 的约束？
• RQ3 对不确定光学厚度 $\tau_{\rm T}$ 进行边缘化对 $H$ 和 $f$ 最终误差预算的影响是什么？
• RQ4 与仅使用星系聚类相比，结合kSZ与星系红移巡天数据在多大程度上降低了不确定性？
• RQ5 红移空间畸变如何影响基于kSZ的速度测量的解释？

主要发现

• 未来CMB实验（如Advanced ACTPol和CMB-S4）预计对红移巡天中典型宿主晕的信噪比可超过 0.1。
• 各向异性kSZ信号，特别是至八极矩的部分，包含了超越单极矩的显著宇宙学信息。
• 通过对 $\tau_{\rm T}$ 进行边缘化，联合分析使 $H$ 和 $f$ 的 1-$\sigma$ 误差降低至仅使用星系数据时的 50–70%。
• 推导出的解析协方差矩阵使得在红移空间中对kSZ功率谱的稳健费雪矩阵预测成为可能。
• 该方法考虑了红移空间畸变和速度偏置，提升了对 $f$ 和 $H$ 约束的准确性。
• 结果表明，kSZ测量为增长速率和膨胀速率提供了互补且强大的约束，显著增强了星系红移巡天的科学回报。