Cosmology from Planck CMB Lensing and DESI DR1 Quasar Tomography

Resumen Técnico: Cosmología a partir del Lente de la CMB de Planck y la Tomografía de Cuásares de DESI DR1

Problema y Motivación
El modelo cosmológico estándar $\Lambda$CDM predice la amplitud de la agrupación de la materia, $\sigma_8$, con alta precisión cuando se condiciona a los datos de la anisotropía primaria del Fondo Cósmico de Microondas (CMB). Sin embargo, varias sondas de tiempo tardío, incluyendo el lensing débil y las correlaciones cruzadas de lensing de la CMB, han reportado tensiones leves ($\sim 1-3\sigma$) respecto al crecimiento de la estructura, a menudo parametrizado como $S_8 \equiv \sigma_8(\Omega_m/0.3)^{0.5}$. Mientras que algunos análisis encuentran consistencia con las predicciones de la CMB primaria, otros sugieren una amplitud de estructura menor. Para abordar estas discrepancias, es crucial medir el crecimiento de la estructura en altos desplazamientos al rojo ($z > 1$) utilizando muestras grandes, con confirmación espectroscópica, que minimicen las incertidumbres en las distribuciones de desplazamiento al rojo y la contaminación por intrusos. Este artículo presenta una medición de la amplitud de las fluctuaciones de la materia utilizando la muestra de cuásares espectroscópicos más grande hasta la fecha en alto desplazamiento al rojo, correlacionada con mapas de lensing de la CMB.

Metodología
Los autores realizan un análisis tomográfico utilizando datos de dos fuentes primarias:

1. Muestra de Cuásares DESI DR1: Una muestra espectroscópicamente confirmada de 1,223,391 cuásares que cubren $0.8 \le z \le 3.5$ sobre $7,200 \text{ deg}^2$. La muestra se divide en tres contenedores de desplazamiento al rojo centrados en desplazamientos al rojo efectivos $z_{\text{eff}} = 1.44, 2.27,$ y $2.75$. El análisis emplea pesos de sistemas de imagen lineales para corregir efectos observacionales, evitando la supresión de potencia en escalas grandes asociada con los pesos de Random Forest no lineales utilizados en estudios previos.
2. Lensing de la CMB Planck PR4: El análisis utiliza los mapas de convergencia ($\kappa$) de lensing de la CMB de Planck PR4 (NPIPE), que ofrecen una relación señal-ruido mejorada en comparación con lanzamientos anteriores.

El núcleo de la metodología consiste en medir los espectros de potencia angular: la autocorrelación del campo de densidad de los cuásares ($C_{gg}$) y la correlación cruzada entre la densidad de los cuásares y la convergencia de lensing de la CMB ($C_{g\kappa}$). Estos se estiman utilizando el algoritmo NaMaster para computar espectros pseudo-$C_\ell$, que luego se deconvolucionan de la máscara de la encuesta mediante una matriz de acoplamiento de modos.

El modelado teórico emplea un enfoque híbrido que combina ajustes a simulaciones N-body y la Teoría de Campo Efectiva Lagrangiana Convolucional (CLEFT). El modelo incluye:

• Términos de sesgo lineal y no lineal ($b_1, b_2, b_s$).
• Sesgo de magnificación ($s_\mu$).
• Distorsiones en el espacio de velocidades (RSD).
• Ruido de disparo (shot noise), el cual se margina analíticamente.

El análisis de verosimilitud utiliza una verosimilitud gaussiana multivariante con una matriz de covarianza derivada de aproximaciones analíticas gaussianas. Para romper la degeneración entre $\Omega_m$ y $\sigma_8$, los autores incorporan un prior en $\Omega_m$ derivado de las mediciones de Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO) de DESI DR1 (y DR2). El análisis está cegado (blinded) al nivel de verosimilitud, con validación realizada en mocks gaussianos y simulaciones N-body de AbacusSummit para asegurar la recuperación de parámetros y la robustez frente a sistemáticas como los efectos de asignación de fibra y la restricción del integral angular.

Contribuciones Clave

• La Muestra Espectroscópica de Alto $z$ más Grande: Este trabajo utiliza la muestra de cuásares espectroscópicos más grande hasta la fecha para correlaciones de lensing de la CMB, proporcionando una muestra de trazadores de alta densidad y alta pureza en el régimen dominado por la materia ($0.8 \le z \le 3.5$).
• Control Robusto de Sistemáticas: Al utilizar desplazamientos al rojo espectroscópicos y pesos de sistemas lineales, el análisis elimina errores de incertidumbre en la distribución de desplazamiento al rojo y minimiza la pérdida de potencia en escalas grandes debida a sistemáticas de imagen.
• Medición de $H_0$ Libre del Horizonte de Sonido: El artículo combina la correlación cruzada de cuásar-lensing de la CMB con autoespectros de lensing de la CMB de Planck PR4 y el Telescopio de la Cosmología de Atacama (ACT DR6) para realizar una medición de la constante de Hubble ($H_0$) que es independiente de la escala del horizonte de sonido, basándose en su lugar en la escala de igualdad materia-radiación ($k_{\text{eq}}$).

Resultados

• Significancia de Detección: La correlación cruzada entre los mapas de lensing de Planck PR4 y la muestra de cuásares DESI DR1 se detecta con una relación señal-ruido (SNR) de 21.7. La autocorrelación de los cuásares se detecta con un SNR de 27.2 para el análisis conjunto de todos los contenedores de desplazamiento al rojo.
• Restricciones al Crecimiento de la Estructura:
  • Utilizando el análisis conjunto de todos los contenedores de desplazamiento al rojo y un prior de BAO de DESI DR1, los autores restringen la amplitud de las fluctuaciones de la materia a $\sigma_8 = 0.929^{+0.059}_{-0.074}$ y $S_8 = 0.922^{+0.059}_{-0.073}$.
  • Estos resultados son aproximadamente $1.5\sigma$ superiores a las predicciones de $\Lambda$CDM ajustadas a los datos de la CMB primaria de Planck PR4.
  • Cuando se restringe el análisis a la teoría lineal (fijando sesgos de orden superior y marginando sobre menos parámetros de nulidad), la tensión con las predicciones de la CMB primaria se reduce a $\sim 1\sigma$, resultando en $S_8 = 0.859 \pm 0.048$.
  • Los autores señalan que, aunque sus restricciones son superiores a algunas mediciones de lensing de galaxias, son consistentes con los resultados de "modelado completo" del análisis del espectro de potencia de cuásares de DESI DR1.
• Constante de Hubble: La medición libre del horizonte de sonido arroja $H_0 = 69.1^{+2.2}_{-2.6} \text{ km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ (usando priors de BAO de DESI DR1) y $H_0 = 68.5 \pm 1.8 \text{ km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ (usando priors de BAO de DESI DR2). Estos valores están en acuerdo con las mediciones de la escalera de distancias de tiempo tardío (por ejemplo, SH0ES, CCHP) y las restricciones de la CMB primaria dentro de $1-2\sigma$.

Significancia y Afirmaciones
El artículo afirma proporcionar una medición robusta del crecimiento de la estructura en altos desplazos al rojo utilizando una muestra que está mejor caracterizada y posee mayor pureza que las muestras anteriores de cuásares fotométricos o seleccionados por objetivos. Los autores sostienen que sus resultados no encuentran evidencia concluyente de una desviación de $\Lambda$CDM, señalando que la tensión observada con las predicciones de la CMB primaria ($\sim 1.5\sigma$) se reduce a $\sim 1\sigma$ al utilizar ajustes de teoría lineal. Enfatizan que los errores actuales siguen siendo demasiado grandes para apoyar o descartar definitivamente una "tensión de $S_8$". El trabajo sirve como una prueba de concepto para el uso de cuásares espectroscópicos de alto desplazamiento al rojo como trazadores de lensing de la CMB, y los autores señalan que los futuros lanzamientos de datos de DESI (Año 5) reducirán significativamente los errores y pondrán a prueba de manera más rigurosa el modelo $\Lambda$CDM en este régimen de alto desplazamiento al rojo. La medición de $H_0$ libre del horizonte de sonido se presenta como una sonda complementaria a los métodos de regla estándar, aprovechando la escala de giro (turnover scale) del espectro de potencia de la materia.