Anisotropic clustering analysis of the Quasar Sample from SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey

Hou, Jiamin (2020): Anisotropic clustering analysis of the Quasar Sample from SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Die moderne Kosmologie bietet eine Beschreibung der thermischen Geschichte des Universums sowie seiner Zusammensetzung. Der dominierende Energiegehalt des Universums ist eine Komponente namens Dunkler Energie, die die Beschleunigung der kosmischen Expansion zu später Zeit bewirkt. Mehrere Datensätze, wie die der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundexperimente (MWH) und Typ Ia Supernovae, halfen uns, ein Standardparadigma für das ΛCDM-Modell aufzustellen. Die Natur der dunklen Energie ist dadurch jedoch noch nicht festgelegt. Das Verständnis der Materieverteilung zu einem späten kosmischen Zeitpunkt ist ein mächtiges Werkzeug, das uns strenge Einschränkungen für diese mysteriöse Komponente bietet. Diese Arbeit präsentiert die Messungen der besonders ehrgeizigen Himmelsbeobachtung Sloan Digital Sky Survey (SDSS), der die ausführlichste dreidimensionale Kartierung des Universums erstellt hat. Der extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), als Unterprogramm des SDSS IV-Projekts zielte darauf ab, die Expansionsgeschichte des Universums bis zu einem Zeitpunkt abzubilden, an dem es weniger als drei Milliarden Jahre alt war. Der vollständige eBOSS-Datensatz deckt über achtzig Prozent der kosmischen Geschichte ab. Bisher wurden Galaxien als Tracer für das zugrunde liegende Materiefeld verwendet. Man misst die Galaxienspektren, die durch die kosmische Expansion "gedehnt und rotverschoben" werden. Die Rotverschiebung steht in direktem Zusammenhang mit ihrer Entfernung zu den Beobachtern. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die quasi-stellaren Objekte (QSOs). Es wird angenommen, dass QSOs von supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden. Daher sind sie an sich leuchtender als die Galaxien und ermöglichen es uns, den messbaren Rotverschiebungsbereich zu erweitern. Wir untersuchen die Clustering-Eigenschaften der QSOs und verwenden Baryonische akustische Oszillationen (BAO) als Distanzlineal, um unser Wissen über das ΛCDM-Modell zu überprüfen. Darüber hinaus haben beobachtete Rotverschiebungen eine zusätzliche Komponente, einen kleinen Beitrag aufgrund der Eigengeschwindigkeit der Galaxie als Reaktion auf die gravitative Anziehung der umgebenden Materie. Man kann diese zusätzliche Komponente, bekannt als redshift space distortion (RSD), verwenden, um das Wachstum der kosmischen Struktur zu untersuchen. Die eBOSS DR16 QSO-Probe enthält 343,708 spektroskopisch bestätigte Quasare mit einer Rotverschiebung 0.8 <z <2.2. Bei einer effektiven Rotverschiebung von z_eff = 1.48 messen wir die Winkelentfernungsfunktion D_M(z_eff)/r_drag = 30.66 +/- 0.88, die Hubble-Distanz D_H(z_eff)/r_drag = 13.11 +/- 0.52, und die Wachstumsrate fσ_12(z_eff) = 0.435 +/-0.048. Die Genauigkeit dieser Messungen wird durch umfangreiche Mehrkörpersimulationen bestätigt, die für die Quasarprobe entwickelt wurden, sowie durch die Untersuchung der realistischen systematischen Beobachtungsfehler. Wir führen eine reine BAO-Analyse durch, um die Robustheit der Methodik der Vollformanalyse zu überprüfen. Wenn wir unsere Analyse mit der Fourier-Raum-Analyse kombinieren, erhalten wir D^c_M(z_eff)/r_drag = 30.21 +/- 0.79, D^c_H(z_eff)/r_drag = 13.23+/- 0.47, und fσ_12^c(z_eff) = 0.458+/- 0.045. Die kombinierte Abstandsmessung stimmt hervorragend mit dem ΛCDM-Modell mit den bestpassenden kosmologischen Parameterwerten aus CMB-Planck-Daten überein. Der Wachstumsratenparameter zeigt eine Abweichung von ~ 2σ im Vergleich zu den Vorhersagen des ΛCDM-Modells. In dieser Arbeit zeigen wir auch, wie die RSD-Messungen verwendet werden können, um mögliche Abweichungen von der Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen und eine mögliche alternative Lösung für das ΛCDM-Modell bereitzustellen. Wir verwenden synthetische Galaxienkataloge, die aus großen N-Körpersimulationen von Standardmodellen und modifizierten Gravitationsmodellen erstellt wurden, um das Galaxien-Clustering im Rotverschiebungsraum zu messen. Wir überprüfen zwei repräsentative Familien modifizierter Gravitationsmodellen: das Hu & Sawicki f(R)-Modell und der normale Zweig des Davli-Gabadadze-Porrati (DGP)-Modells. Wir haben bestätigt, dass die Standardanalyse-Pipeline auf die modifizierten Schwerkraftmodelle anwendbar ist. Darüber hinaus zeigt der RSD-Verzerrungsparameter Abweichungen von der Vorhersage der Standardgravitation in den DGP-Modellen, die für zukünftigen Surveys interessant sein werden.

Abstract

Modern cosmology offers a description of the thermal history of the Universe as well as its composition. The dominant energy content of the Universe appears to be a component called dark energy, which sources the acceleration of the cosmic expansion at late time. Multiple data sets, such as the cosmic microwave background experiments (CMB), type Ia supernovae, helped us to set up a standard paradigm of the ΛCDM model. However, it does not yet specify the nature of the dark energy. The study of the matter distribution at late cosmic time is a powerful tool that provides us with powerful constraints on this mysterious component. This thesis presents the measurements from one of the most ambitious sky observations from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), which has created the most detailed three-dimensional maps of the Universe. The extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), as a subprogram from the SDSS IV project, aimed at mapping out the expansion history of the Universe back to the point when it was less than three billion years old. The complete eBOSS data set covers over eighty percent of cosmic history. Previously, galaxies have been used as tracers of the underlying matter field. One measures the galaxies' spectra, which are ``stretched and reddened" by the cosmic expansion. The redshift is directly related to its distance to the observers. In this thesis, we focus on the quasi-stellar objects (QSOs). QSOs are believed to be powered by supermassive black holes, therefore, they are intrinsically more luminous than the galaxies and allow us to extend the redshift range. We study the clustering properties of the QSOs and use the baryon acoustic oscillation (BAO) as a distance ruler to verify our knowledge of the ΛCDM model. Furthermore, observed redshifts have an additional component, a small contribution due to the galaxy’s own velocity in response to the gravitational attraction of the surrounding matter. One can make use of this additional component, known as redshift space distortion (RSD), to study the growth of the cosmic structure. The eBOSS DR16 QSO sample contains 343,708 spectroscopically confirmed quasars between redshift 0.8 < z < 2.2. At an effective redshift of z_eff = 1.48, we measure the comoving angular diameter distance D_M(z_eff)/r_drag = 30.66 +/- 0.88, the Hubble distance D_H(z_eff)/r_drag = 13.11 +/- 0.52, and the growth rate fσ_12(z_eff) = 0.435 +/- 0.048. The accuracy of these measurements is confirmed using an extensive set of mock simulations developed for the quasar sample, we also examined various realistic observational systematics. We perform a BAO-only analysis to cross check the robustness of the methodology of the full-shape analysis. Combining our analysis with the Fourier space analysis, we arrive at D^c_M(z_eff)/r_drag = 30.21 +/- 0.79, D^c_H(z_eff)/r_drag = 13.23 +/- 0.47, and fσ_12^c(z_eff) = 0.458 +/- 0.045. The combined distance measurement is in excellent agreement with the ΛCDM model with best fitting values from CMB Planck data. The growth rate parameter shows a ~ 2σ deviation compared to the ΛCDM prediction. In this thesis we also demonstrate how RSD measurements can be used to test for potential deviations from the prediction of general relativity and provide potential alternative solution to the ΛCDM model. We use mock galaxy catalogues constructed from large N-body simulations of standard and modified gravity models to measure galaxy clustering in redshift space. We check two representative families of modified gravity models: Hu & Sawicki f(R) model and the normal branch of the Davli-Gabadadze-Porrati (DGP) model. We confirmed that the standard analysis pipeline is applicable to the modified gravity models. Furthermore, RSD distortion parameter shows deviations from the prediction of standard gravity in the DGP models, which will be interesting to explore in the future survey.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: cosmology, large scale structure, galaxy survey
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 25. Juni 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Bender, Ralf