The integrated 3-point correlation functions of cosmic shear and projected galaxy density fields

Halder, Anik (2024): The integrated 3-point correlation functions of cosmic shear and projected galaxy density fields. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Mithilfe des schwachen Gravitationslinseneffekts versuchen Kosmologen, die Natur der dunklen Materie und dunklen Energie zu verstehen. Programme zur Auswertungen großskaliger Himmelsdurchmusterungen verfolgen dieses Ziel zurzeit hauptsächlich durch Messung und Analyse der 2-Punkt-Korrelationsfunktion (2PKF) des kosmischen Scherungsfelds, d.h. der geringfügigen Verzerrungen von Bildern von Hintergrundgalaxien durch gravitative Gezeitenfelder im Vordergrund. Die großskalige Struktur unseres Universums folgt jedoch keiner Gaußverteilung, und signifikante Anteile kosmologischer Informationen sind in höheren Momenten des Scherungsfeldes enthalten, welche nicht von diesen traditionellen 2-Punkt-Statistiken erfasst werden. Das zuverlässige Extrahieren dieser Information höherer Ordnung ist insbesondere daher erstrebenswert, weil sie Messungen kosmologischer Parameter stark verbessern kann. Im Laufe des letzten Jahrzehnts wurden eine Vielzahl von Statistiken höherer Ordnung vorgeschlagen, um höhere Momente des Scherungsfelds zu quantifizieren und zu nutzen. Solche Statistiken stehen aber in der Regel vor einer Reihe von Herausforderungen, insbesondere dem hohen numerischen Aufwand für ihre Schätzungen sowie schwerwiegenden Mängel in den theoretischen Modellen. Daher ist die Anwendung solcher Methoden bisher begrenzt geblieben. Um diese Hürden zu überwinden, entwickele und analysiere ich in dieser Arbeit eine neuartige Statistik höherer Ordnung des kosmischen Scherungsfelders namens integrierte 3-Punkt-Korrelationsfunktion (i3PKF) . Diese kann direkt anhand von kosmischem Scherungsdaten gemessen werden, indem lokale Messungen der Scherungs-2PKF mit der mittleren Scherungs-Aperturmasse innerhalb von lokalen sub-Volumen einer Himmelsdurchmusterung korreliert werden. Zusätzlich zu Details und Validierung dieser Methode präsentiere ich eine gemeinsame Analyse von Scherungs-i3PKF und den traditionellen Scherungs-2PKF in verblindeten Daten des drei-Jahres-Datensatzes des sogenannten Dark Energy Survey (DES). Unsere Ergebnisse zeigen, dass die von i3PKF zu 2PKF addierte Information signifikante Verbesserungen der Messungen kosmologischer Parameter ermöglicht, insbesondere eine Verbesserung von etwa 40% für den Zustandsgleichungsparameter der dunklen Energie, w0. Ermutigt von diesen Ergebnissen analysiere ich auch das Potential der integrierten 3-Punkt-Kreuzkorrelationen zwischen kosmischem Scherungs- und den Dichtefeldern. Damit erweitere ich das weitgenutzte Schema der 3x2-Punkt-Korrelationsfunktionen von Scherungs- und Galaxiendichtefeld auf ein praktisches Schema höherer Ordnung: die integrierten 6x3-Punkt-Korrelationsfunktionen. Damit können nicht nur kosmologische, sondern auch Parameter der Beziehung von Materie- und Galaxiendichte um 20-40% genauer bestimmt werden. Diese Ergebnisse motivieren daher zukünftige Anwendungen der Galaxie-Scherung integrierten 3PKF in Bedobachtungsdaten. Neben der integrierten 3PKF präsentiere ich auch meine Beteiligung an Fortschritten bei der theoretischen Modellierung einer anderen Statistik, welche ebenfalls in der Lage ist, einen umfassenderen Blick auf die großskalige Struktur des kosmischen Dichtefeldes zu werfen als die 2PKF: die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des lokalen Materiedichtekontrasts und des Galaxiendichtekontrasts. Auch diese Analysemethode kann nicht nur kosmologische Parameter einschränken, sondern auch detaillierte Informationen über die Verbindung zwischen der unsichtbaren dunklen Materie und dem beobachteten Galaxiendichtefeld extrahieren. Die Beiträge dieser Arbeit ebnen somit den Weg für eine effiziente und effektive Ausnutzung der nicht-Gaußschen Information in aktuellen und zukünftigen Himmelsdurchmusterungen.

Abstract

A central goal of weak gravitational lensing cosmology is to understand the nature of dark matter and dark energy. The key program of ongoing lensing surveys involves 2-point correlation function (2PCF) analyses of the cosmic shear field, minute distortions of background galaxy images by intervening foreground large-scale structure (LSS) of our Universe, to constrain cosmological parameters. However, the LSS is non-Gaussian distributed with important information in its higher-order moments, not captured by these traditional 2-point statistics. Reliably extracting this higher-order information can therefore enable tighter cosmological parameter constraints. Over the past decade, a plethora of higher-order statistics have hence been proposed to harness this information from lensing data, but several challenges including computationally expensive estimation, significant deficiencies in theoretical models etc. have kept their analyses rather few and standalone. To overcome these hurdles, in this thesis, I have developed and analysed a novel weak lensing higher-order statistic called the integrated 3-point correlation function (i3PCF) which can be directly measured on cosmic shear data by correlating the local measurements of shear 2PCF with the mean lensing aperture mass signal within patches on the sky-survey. In addition to modelling and validating this statistic, me and my collaborators have also performed a joint analysis of i3PCF alongside the traditional shear 2PCF in the blinded cosmic shear Year 3 dataset of the Dark Energy Survey. Our results show that the addition of i3PCF to 2PCF yields significant tightening of cosmological parameter constraints, specifically 40% improvement on the dark energy equation of state parameter, w0. Encouraged by these promising results I have also proposed the integrated 3-point cross-correlations between cosmic shear and the foreground galaxy density fields thus extending the popular 3x2-point galaxy-shear correlation functions to the practical higher-order framework: integrated 6x3-point correlations which have the potential to bring further 20-40% improvements on not only cosmological but also on galaxy bias parameters which describe the connection between the invisible dark matter and the observed galaxy density field that traces it. These results therefore motivate future applications of the galaxy-shear integrated 3PCFs in real data. In addition to the integrated 3PCF, I also present my contributions to advances in the theoretical modelling of another statistic capable of obtaining a more comprehensive view of the LSS than 2PCFs: the joint probability density function of local matter and galaxy density fluctuations which can not only constrain cosmological parameters but also extract detailed information about the galaxy bias parameters. The contributions of this thesis will thus pave the way for a efficient and effective utilisation of the non-Gaussian information from current and upcoming galaxy imaging sky-surveys.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: cosmology, perturbation theory, gravitational lensing, statistics, large-scale structure, universe
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 9. Februar 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Bender, Ralf