Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.43.2021.tde-20052022-114747
Documento
Autor
Nome completo
Caroline Macedo Guandalin
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2021
Orientador
Banca examinadora
Abramo, Luis Raul Weber (Presidente)
Castorina, Emanuele
Ferreira, Pedro Tonnies Gil
Lima, Marcos Vinicius Borges Teixeira
Quartin, Miguel Boavista
Título em português
Técnicas estatísticas para levantamentos futuros: extraindo física fundamental da estrutura em larga escala
Palavras-chave em português
estrutura em larga escala do universo; efeitos relativísticos; espectro de potências; bispectro; redshifts fotométricos
Resumo em português
As últimas décadas trouxeram um desenvolvimento sem precedentes para a cosmologia através de mapas cada vez mais detalhados da radiação cósmica de fundo. Contudo, por representar uma informação essencialmente bidimensional, a quantidade de informação disponível é menor do que a obtida através dos mapas tridimensionais extraídos com levantamentos de galáxias. A distribuição de matéria escura inferida por esses levantamentos depende do processo altamente não-linear de colapso gravitacional, que pode ser incorporado na sua descrição através de simulações de $N$-corpos (geralmente Newtonianas) até escalas da ordem de dezenas de Mpc. Em contraste, escalas maiores (centenas de Mpc) são livres de efeitos astrofísicos e podem ser trabalhadas de forma acurada com teoria de perturbações. Nessas escalas podemos vincular a física do universo primordial através de características específicas deixadas nas estatísticas de $n$-pontos dos traçadores da matéria (e.g. galáxias e halos) e obter novos efeitos gravitacionais através da conexão entre a teoria e os observáveis (fundamentalmente dados em termos do redshift e ângulos de observação no céu). Primeiramente, exploramos as anisotropias da distribuição de halos de matéria escura devidas aos efeitos relativísticos que emergem ao conectarmos o redshift observado com o fornecido teoricamente pela relatividade geral. Focamos no dipolo do espectro de potência (estatística de 2-pontos) cruzado entre halos de diferentes massas de uma simulação de $N$-corpos relativística no limite de campos fracos. Apresentamos, em todos os detalhes, a sequência de como extrair parâmetros essenciais para descrever esse efeito, como modelá-lo e interpretá-lo no cone de luz observado. Do ponto de vista observacional, enquanto desejamos obter redshifts altamente precisos, através de levantamentos espectroscópicos, também desejamos cobrir o maior volume possível para alcançarmos as escalas onde efeitos relativísticos e não-Gaussianidades primordiais (característica de modelos inflacionários, por exemplo) podem ser observados. Contudo, ao trabalharmos com traçadores discretos da matéria, devemos ter uma densidade suficiente de objetos para que o sinal das funções de $n$-pontos supere o ruído. Esses volumes podem ser densamente mapeados através dos chamados levantamentos fotométricos, ao custo da precisão espectroscópica dos redshifts. Como segundo objetivo, desejamos calibrar os chamados redshifts fotométricos utilizando a correlação entre galáxias e mapas de intensidade de hidrogênio neutro. Avaliamos a capacidade do bispectro (estatística de 3-pontos) em recuperar os parâmetros da distribuição de redshift e comparamos com o espectro de potências, verificando como o método depende da contaminação em primeiro plano presente nos mapas de intensidade para ambos os casos.
Título em inglês
Statistical techniques for future surveys: extracting fundamental physics out of the large-scale structure
Palavras-chave em inglês
Large-scale structure of the universe; relativistic effects; power spectrum; bispectrum; photometric redshifts
Resumo em inglês
We have seen an unprecedented development in the field of cosmology, in the past decades, with the development of increasingly detailed cosmic microwave background maps. Notwithstanding, the amount of information one can extract from those two-dimensional maps is limited when compared to what can be achieved through the three-dimensional mapping obtained with galaxy surveys. The spatial dark matter distribution inferred with these surveys depends on the highly non-linear gravitational collapse, which can be incorporated in our three-dimensional description through $N$-body simulations (usually performed within Newtonian gravity) up to the tens of Mpc scales. In contrast, scales at the order of hundreds of Mpc are free from astrophysical effects and can be accurately described with perturbation theory. At these scales, relic features characteristic of primordial universe physics are left in the $n$-point statistics of dark matter tracers (e.g. galaxies and halos), and we can obtain novel gravitational effects through a theory-observables connection (the latter which are based on a set of fundamental observables such as redshift and observed angles on the sky). Primarily, we explore the relativistic anisotropies in the dark matter halo distribution that emerge after connecting the observed redshift with its theoretical general relativistic prediction. We focus on the power-spectrum dipole (2-point statistics) signal that appears after cross-correlating different halo populations (i.e. different masses) obtained from a weak-field relativistic $N$-body simulation. We make a complete presentation of the details necessary to extract essential parameters to model and interpret the results on an observed light cone. From an observational perspective, while it is desirable to have high-precision redshifts, we also require a large volume coverage to reach the necessary scales at which relativistic and primordial non-Gaussian effects (the latter is a characteristic feature of inflationary models) are manifested. However, when dealing with discrete dark matter tracers, we must acquire a large number of observations for the $n$-point signal to overcome its noise. Large volumes can be densely mapped through the so-called photometric redshifts, at the cost of redshifts with spectroscopic precision. Therefore, our second objective is to calibrate photometric redshifts utilising the clustering information of both galaxies and neutral hydrogen intensity mapping. We assess the ability of the bispectrum (3-point statistics) to recover the redshift distribution parameters, and we compare the results with the power spectrum. We also verify, for both 2- and 3-point statistics, how this clustering redshifts method depends upon the foreground contamination present in the neutral hydrogen maps.
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Data de Publicação
2022-05-25