Low-redshift constraints on structure growth from CMB lensing tomography

Resumen Técnico: Restricciones de bajo desplazamiento al rojo sobre el crecimiento de la estructura mediante tomografía de lentes del CMB

Problema y Motivación
El crecimiento de las fluctuaciones de la densidad de materia es un observable cosmológico crítico, sensible a la naturaleza de la energía oscura y a las leyes de la gravedad. Aunque existen diversas sondas, incluyendo las distorsiones en el espacio de velocidades (redshift-space distortions) y el lensing débil, existe una brecha específica en las restricciones a bajos desplazamientos al rojo ($z \lesssim 0.3$). Este régimen es crucial para probar posibles desviaciones de una constante cosmológica e investigar las tensiones en la amplitud de las fluctuaciones de materia ($S_8$) observadas en los datos de cizalladura cósmica (cosmic shear) de tiempos tardíos en comparación con las predicciones del Fondo Cósmico de Microondas (CMB). Las mediciones previas de tomografía de lensing a bajo desplazamiento al rojo se han visto limitadas por señales de lensing bajas y la dificultad de modelar el agrupamiento de galaxias en escalas no lineales pequeñas que se proyectan sobre escalas angulares grandes. Este trabajo pretende llenar este vacío combinando muestras de galaxias de alta densidad a bajos desplazamientos al rojo con un modelo de sesgo (bias) sofisticado capaz de recuperar información robusta de escalas relativamente pequeñas ($k \lesssim 0.7 \, h \, \text{Mpc}^{-1}$).

Metodología
El análisis utiliza un enfoque híbrido que combina el agrupamiento de galaxias (galaxy clustering) y la convergencia de lensing del CMB:

• Fuentes de Datos:
  • Muestras de Galaxias: El estudio emplea el 2MPZ (2MASS Photometric Redshift Survey) y el sondeo WIxSC (WISE$\times$SuperCOSMOS). Estos se dividen en tres contenedores tomográficos: "Bin 1" (2MPZ, $z_m \approx 0.074$), "Bin 2" (WIxSC, $0.1 \le z_p < 0.25$, $z_m \approx 0.18$) y "Bin 3" (WIxSC, $z_p \ge 0.25$, $z_m \approx 0.302$).
  • Lensing del CMB: Se utilizan los mapas de convergencia de lensing "Minimum Variance" de Planck 2018, que cubren una fracción del cielo que se solapa con las muestras de galaxias ($f_{sky} \approx 0.66$).
• Modelado Teórico:
  • Expansión del Sesgo (Bias Expansion): Los espectros de potencia de las galaxias se modelan mediante un enfoque de Teoría de Campo Efectiva Híbrida (HEFT). Esto implica una expansión de sesgo lagrangiano hasta segundo orden, incluyendo los operadores $\delta$, $\delta^2$, $s^2$ y $\nabla^2\delta$. La evolución no lineal de estos operadores se gestiona mediante las simulaciones de N-cuerpos BACCO y el emulador de red neuronal baccoemu.
  • Estadísticas: El análisis mide las auto-correlaciones angulares de galaxias ($C^{gg}_\ell$) y las correlaciones cruzadas entre galaxias y lensing del CMB ($C^{g\kappa}_\ell$) utilizando el enfoque de pseudo-$C_\ell$.
  • Covarianza: La matriz de covarianza incluye términos gaussianos (desconectados), no gaussianos (trispectro mediante el modelo de halo), ruido de disparo (shot noise) y de incertidumbres en la distribución de redshift.
  • Verosimilitud y Marginalización: Se emplea una verosimilitud gaussiana. Para mitigar los "efectos de volumen" (sesgos derivados de la marginalización sobre un gran número de parámetros de sesgo de confusión), los autores utilizan la técnica de Marginalización Analítica Aproximada (AAM), que impone efectivamente un prior tipo Jeffreys sobre los parámetros de sesgo.
• Cortes de Escala: El análisis se restringe a escalas físicas $k < 0.42 \, \text{Mpc}^{-1}$ (correspondientes a $\ell_{max} \approx 2000$) donde se sabe que la HEFT es precisa. Se excluyen las escalas grandes ($\ell < 20$) para evitar sistemáticas en la auto-correlación de las galaxias.

Contribuciones Clave

1. Tomografía de Bajo Desplazamiento al Rojo: El artículo proporciona restricciones sobre el crecimiento de la estructura específicamente en el régimen $z \lesssim 0.3$, un rango menos explorado por estudios previos de tomografía de lensing que suelen centrarse en $z > 0.5$.
2. Aplicación de HEFT: Demuestra la aplicación del marco HEFT a datos fotométricos de bajo desplazamiento al rojo, permitiendo la inclusión de escalas más pequeñas que los modelos de sesgo perturbativos tradicionales.
3. Pruebas de Robustez: El estudio pone a prueba explícitamente el impacto de los efectos de volumen comparando los resultados de AAM con la marginalización de "fuerza bruta", mostrando que esta última reduce artificialmente las incertidumbres y desplaza los posteriors. También valida los resultados frente a cortes de escala conservadores y modelos de sesgo lineal simplificados.

Resultados

• Restricciones Cosmológicas ($\Omega_m$ y $S_8$):
  • Cuando $\Omega_m$ se deja libre, los datos prefieren un valor de $\Omega_m = 0.245 \pm 0.024$, el cual es $2.8\sigma$ inferior a las restricciones de Planck 2018. Esta preferencia está impulsada por la forma de banda ancha de la auto-correlación de las galaxias en el contenedor de mayor redshift (Bin 3).
  • Al imponer un prior gaussiano sobre $\Omega_m basado en las mediciones de BAO de DESI ($\Omega_m = 0.2975 \pm 0.0086$), el parámetro derivado $S_8 = \sigma_8 \sqrt{\Omega_m/0.3}$ resulta ser $0.79 \pm 0.06$. Esto concuerda razonablemente con Planck ($S_8 = 0.832 \pm 0.013$) y otros análisis de tomografía de lensing.
  • Sin el prior de BAO, el $S_8$ derivado es $0.82 \pm 0.07$.
• Historia del Crecimiento: La historia del crecimiento reconstruida, expresada como $\sigma_8(z)$, es compatible con las predicciones de Planck. Los datos muestran una preferencia marginal por una tasa de crecimiento más pronunciada en tiempos tardíos, con las mediciones de menor y mayor redshift situándose a $1.8\sigma$ y $1.4\sigma$ de los valores de Planck, respectivamente, aunque las incertidumbres siguen siendo grandes.
• Parámetros de Sesgo (Bias): Los parámetros de sesgo de orden superior inferidos ($b_2, b_s, b_{\nabla^2}$) se encuentran dentro de $1\sigma$ de las "relaciones de coevolución" predichas por simulaciones para galaxias y halos. El análisis señala que el contenedor de menor redshift (Bin 1) exhibe un sesgo lineal ($b_1$) más alto de lo esperado para su redshift, atribuido a que son sonda una población de galaxias diferente (cotejada con 2MASS) respecto a los otros contenedores.
• Bondad de Ajuste: Los modelos proporcionan un buen ajuste a los datos, con valores de probabilidad de exceder (PTE) de 9% (para $\Omega_m$ libre) y 4.5% (con el prior de DESI), los cuales se consideran aceptables dada la complejidad del modelo y la naturaleza de las fluctuaciones.

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar una confirmación valiosa de las restricciones previas de $S_8$ desde un rango complementario y de menor desplazamiento al rojo ($z \lesssim 0.3$). Destaca que, si bien los datos son consistentes con el modelo estándar $\Lambda$CDM cuando se restringen mediante datos externos de BAO, la preferencia intrínseca por un $\Omega_m$ bajo (impulsada por la forma de la banda ancha del espectro de potencia) requiere precaución. Los autores enfatizan que esta preferencia es menos robusta que las mediciones de regla estándar y puede ser susceptible a incertidumbres teóricas en el modelo de sesgo no lineal o a la contaminación sistemática en el agrupamiento de galaxias.

El estudio concluye que, aunque las incertidumbres estadísticas actuales son demasiado grandes para extraer conclusiones definitivas sobre desviaciones de una constante cosmológica, la metodología establece una base para mediciones futuras más precisas. Los autores sugieren que reemplazar el lensing del CMB por cizalladura cósmica de sondeos actuales (DES, KiDS, HSC) podría mejorar los límites de $\sigma_8(z)$ en este régimen de bajo desplazamiento al rojo, y que serán necesarios datos futuros de sondeos fotométricos (Observatorio Rubin) y experimentos de CMB (Simons Observatory) para alcanzar la precisión requerida para probar modelos de energía oscura dinámica.