Anisotropic galaxy clustering measurements in Fourier space and cosmological implications from the BOSS DR12 sample

Grieb, Jan Niklas (2016): Anisotropic galaxy clustering measurements in Fourier space and cosmological implications from the BOSS DR12 sample. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Moderne Rotverschiebungs-Galaxiendurchmusterungen können mittels Mehrfach-Faser-Spektroskopie große Bereiche des Himmels abdecken. Dank der immer größer werdenden Datensätze hat sich die Analyse der großskaligen Galaxienverteilung im Universum zu einer unschätzbaren Wissensquelle für die Kosmologie entwickelt. Zusammen mit den Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (MWH) und Entfernungsbestimmungen anhand von großen Typ-Ia-Supernova-Datensätzen (SN) bilden die Galaxiendurchmusterungen ausschlaggebende Indikatoren für die Korrektheit der Paradigmen des kosmologischen Weltbilds, des ΛCDM-Modells. Die Auswertung der Galaxienverteilung erlaubt mit Hilfe des Standardlineals, das durch die Baryonisch-akustischen Oszillationen gegeben ist, Entfernungsmessungen von ungesehener Präzision. Dies gewährt Einblick in die zugrundeliegende physikalische Natur der Dunklen Energie (DE), welche für die Beschleunigung der Ausdehung unseres Universums verantwortlich gemacht wird, indem die zeitliche Entwicklung der DE-Zustandsgleichung einge- schränkt werden kann. Zudem kann aus dem Signal der Verzerrungen im Rotverschiebungsraum die Wachstumsrate von kosmologischer Struktur bestimmt werden. Dies stellt einen Test der Relativitätstheorie dar, weil mögliche erweiterte Gravitationstheorien abweichende Wachstumsraten vorhersagen können. Die abgeschlossenen Rotverschiebungsmessungen des ‘Baryon Acoustic Oscillation Survey’-Programms (kurz BOSS) brachten einen Galaxienkatalog hervor, der ein bisher unerreichtes Volumen abdeckt. In dieser Dissertation wird die kosmologische Information, die im räumlichen Leistungsdichtespektrum (LDS) der Rotverschiebungsraum-Galaxienverteilung des BOSS-Katalogs enthalten ist, genutzt, um den Parameterraum des ΛCDM-Modells und der wichtigsten möglichen Erweiterungen einzuschränken. Vorherige Analysen des anisotropen Galaxien-LDS waren auf die Messung der Multipolzerlegung beschränkt. Für die hier präsentierte Analyse wurde das Konzept der sogenannten ‘Clustering Wedges’ auf den Fourierraum übertragen, um einen komplementären Ansatz zur Vermessung des anisotropen LDS zu verfolgen. Dazu wird der varianzoptimierte Schätzer für LDS-Wedges definiert und an die Galaxiengewichtung, die unvermeidbare Beobachtungsfehler im BOSS-Katalog behebt, angepasst. Zudem wird auch der Formalismus zur Beschreibung der Fensterfunktion auf die Wedges erweitert. Das verwendete Modell für das anistrope Galaxien-LDS ist auf neuartigen Ansätzen zur Modellierung der nichtlinearen Gravitationsdynamik und der Verzerrungen im Rotverschiebungsraum aufgebaut, welche die Genauigkeit der Modellvorhersagen speziell im Übergang in den nichtlinearen Bereich signifikant verbessern. Daher kann das LDS bis zu kleineren Skalen als in vorherigen Analysen ausgewertet werden, wodurch engere Einschränkungen des kosmologischen Parameterraums erreicht werden. Die Modellierung wurde mit Hilfe von synthetischen Katalogen, die auf großvolumigen Mehrkörpersimulationen basieren, verifiziert. Dazu ist eine theoretische Vorhersage der Kovarianzmatrix der anisotropischen Vermessung der Galaxienverteilung nötig, wofür ein Gaußsches Vorhersagemodell entwickelt wurde. Dieses ist neben den Wedges auch für die komplementäre Multipolzerlegung sowohl des LDS als auch dessen Fouriertransformierten, der Zwei-Punkt-Korrelationsfunktion, anwendbar. Die LDS-Analyse anhand von Clustering Wedges, wie in dieser Arbeit präsentiert, ist Teil der kombinierten Analyse des finalen Galaxienkatalogs im Rahmen der BOSS-Kollaboration. Unter Verwendung von zwei sich nicht überschneidenden Rotverschiebungsbereichen wird die Winkeldurchmesserentfernung zu D_M(z_eff = 0.38) (rfid_d / r_d) = 1525 +-24 h^-1 Mpc und D_M(z_eff = 0.61) (rfid_d / r_d) = 2281 +42 -43 h^-1 Mpc bestimmt. Weiterhin wird der Hubbleparameter zu H(z_eff = 0.38) (r_d / rfid_d) = 81.2 +2.2 −2.3 km s^-1 Mpc^-1 und H(z_eff = 0.61) (r_d / rfid_d) = 94.9 +-2.5 km s^-1 Mpc^-1 vermessen (alle hier angegebenen Bereiche entsprechen einem Konfidenzintervall von 68%). Die Wachstumsrate wird eingeschränkt auf fσ_8 (z_eff = 0.38) = 0.498 +0.044 -0.045 und fσ_8 (z_eff = 0.61) = 0.409 +-0.040. Zusammen mit den Ergebnissen der komplementären Methoden, die innerhalb der BOSS-Kollaboration zur Clustering-Analyse des finalen Galaxienkatalogs eingesetzt werden, werden diese Resultate zu einem abschließenden Konsensergebnis zusammengefasst. Nur mit den Clustering-Weges-Messungen im Fourierraum, kombiniert mit MWH- und SN-Daten, kann der Materiedichteparameter auf Ω_M = 0.311 +0.009 -0.010 und die Hubble-Konstante auf H_0 = 67.6 +0.7 -0.6 km s^-1 Mpc^−1 unter Annahme des ΛCDM-Modells eingeschränken werden. Wird ein Nichtstandard-Modell für DE angenommen, so ergibt sich ein DE-Zustandsgleichungsparameter von w_DE = 1.019 +0.048 -0.039. Modifikationen der Wachstumsrate, parametrisiert durch f(z) = [Ω_M(z)]^γ, werden auf γ = 0.52 +- 0.10 eingeschränkt. Diese beiden Messungen sind in perfekter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des ΛCDM-Modells, ebenso wie weitere Ergebnisse, die sich unter der Annahme eines noch großzügigeren DE-Modells (welches eine zeitliche Entwicklung von w_DE erlaubt) ergeben. Daher wird das ΛCDM-Modell durch die hier beschriebene Analyse weiter gefestigt. Die Summe der Neutrinomassen wird zu sum(m_ν) < 0.143 eV bestimmt. Dieses obere Limit befindet sich nicht weit entfernt von der unteren Schranke, die sich aus Teilchenphysik-Experimenten ergibt. Somit ist zu erwarten, dass die kosmologische Signatur, die massebehaftete Neutrinos in der großskaligen Struktur des Universums hinterlassen, in naher Zukunft detektiert werden kann.

Abstract

Galaxy surveys cover a large fraction of the celestial sphere using modern multi-fibre spectrographs. Thanks to ever increasing datasets, the analysis of the large-scale structure (LSS) of the Universe has become a prolific source of cosmological information. Together with the observations of the cosmic microwave background (CMB) and samples of supernova (SN) of type Ia, they helped to establish the standard cosmological paradigm, the ΛCDM model. From the analysis of redshift-space galaxy clustering, the expansion history of the Universe can be inferred using the feature of Baryon Acoustic Oscillations (BAO) as a standard ruler to measure cosmic distances. The growth rate of cosmic structure can also be determined using redshift-space distortions (RSD). These measurements provide insight into competing alternatives of the ΛCDM model. The nature of the Dark Energy (DE), a strange component that is believed to be responsible for the current phase of accelerating expansion of the Universe, can be unravelled from BAO measurements of the late-time expansion. Modified theories of gravity can be constrained from the growth rate extracted from RSD, which can deviate from the prediction of general relativity. The redshift measurements of the Baryon Acoustic Oscillation Survey (BOSS) program that was completed in 2014 yielded a galaxy sample that covers an unprecedented volume. In this thesis, the standard model and its most important extensions are analysed using the cosmological information in the full-shape of the redshift-space two-point statistics measured from the final BOSS galaxy sample. So far, anisotropic clustering analyses in Fourier space relied on power spectrum multipole measurements. For this work, the concept of clustering wedges was extended to Fourier space to establish a complementary approach to measure clustering anisotropies: we introduce the optimal-variance estimator for clustering wedges, which is designed to account for systematic weights that correct the observational incompleteness of the BOSS sample, and also develop the window function formalism for the wedges. Our modelling of the anisotropic galaxy clustering is based on novel approaches for the description of non-linear gravitational dynamics and redshift-space distortions. This improved modelling allows us to include smaller scales in our full-shape fits than in previous BAO+RSD studies, resulting in tighter cosmological constraints. The galaxy clustering model is verified using synthetic catalogues based on large-volume N -body simulations. As this test requires a theoretical description for the anisotropic clustering covariance matrix, a Gaussian formalism was developed for that purpose. As a side project, this formalism is extended to describe clustering wedges and multipoles in Fourier and configuration space. The Fourier-space clustering measurements presented in this thesis are part of the joint analysis of the final BOSS sample. Using two non-overlapping redshift bins, we measure an angular diameter distance of D_M(z_eff = 0.38) (rfid_d / r_d) = 1525 +-24 h^-1 Mpc and D_M(z_eff = 0.61) (rfid_d / r_d) = 2281 +42 -43 h^-1 Mpc, as well as a Hubble parameter of H(z_eff = 0.38) (r_d / rfid_d) = 81.2 +2.2 −2.3 km s^-1 Mpc^-1 and H(z_eff = 0.61) (r_d / rfid_d) = 94.9 +-2.5 km s^-1 Mpc^-1 (all limits correspond to the statistical error of a confidence level of 68%). The growth rate is constrained to fσ_8 (z_eff = 0.38) = 0.498 +0.044 -0.045 und fσ_8 (z_eff = 0.61) = 0.409 +-0.040. These measurements will be combined with the complementary results from other galaxy clustering methods in configuration and Fourier space in order to determine the final BOSS consensus measurements. From our analysis alone, in combination with CMB and SN Ia data, we obtain a matter density parameter of Ω_M = 0.311 +0.009 -0.010 and a local Hubble parameter of H_0 = 67.6 +0.7 -0.6 km s^-1 Mpc^−1 assuming a ΛCDM cosmology. Allowing for a non-standard DE model, we find an equation-of-state parameter of w_DE = 1.019 +0.048 -0.039. Modifications of the growth rate, parametrized as f(z) = [Ω_M(z)]^γ, are constrained to γ = 0.52 ± 0.10. These two results, along with those obtained using a more general DE model to identify a time-evolution of w_DE, are in perfect agreement with the ΛCDM predictions. Thus, the standard paradigm is further consolidated by our analysis. The sum of neutrino masses is found to be sum(m_ν) < 0.143 eV. As this limit is close to the lower bound from particle physics, a detection of the cosmological signature of massive neutrinos from LSS analyses can be expected in the near future.

Abstract

Deutsche Übersetzung des Titels: Anisotrope Messungen der Galaxien-Häufungsverteilung im Fourierraum und kosmologische Implikationen des BOSS-DR12-Galaxiensamples

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Cosmology, large-scale structure, galaxy survey, dark energy
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 5. April 2016
• 1. Bericht­erstatter:in: Bender, Ralf