Cross-correlation of SPT-3G D1 CMB lensing and DES Y3 galaxy lensing

Resumen Técnico: Correlación cruzada de la lente del CMB SPT-3G D1 y el lensing de galaxias DES Y3

Problema y Motivación
El lensing gravitacional débil de las galaxias (cizalladura cósmica o cosmic shear) y el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) proporcionan sondas directas del campo de densidad de materia cósmica. Sin embargo, estos observables son sensibles a diferentes escalas espacciales, rangos de desplazamiento al rojo (redshift) y sistemáticas de los sondeos. Existe una tensión leve y persistente en el valor inferido del parámetro de amplitud de agrupamiento de materia, $S_8 \equiv \sigma_8 \sqrt{\Omega_m/0.3}$, donde los sondeos de cizalladura cósmica suelen medir valores aproximadamente de $2$a$3\sigma$ menores que las predicciones basadas en mediciones primarias del CMB (por ejemplo, Planck). Mientras que el lensing del CMB por sí solo es consistente con el CMB primario, la combinación de estos conjuntos de datos independientes ofrece una oportunidad única para abordar esta tensión. Se espera que su correlación cruzada sea sensible a las escalas que cruzan la transición no lineal, permitiendo un modelado más simple que la cizalladura cósmica por sí sola, manteniendo al mismo tiempo la sensibilidad a la física de pequeña escala. Además, la correlación cruzada de conjuntos de datos independientes con diferentes sistemáticas proporciona una prueba de consistencia robusta. Los principales desafíos en esta medición son la contaminación por alineaciones intrínsecas de galaxias (IA) y los primeros planos extragalácticos en los datos del CMB (como el efecto Sunyaev-Zeldovich y el Fondo de Microondas de Radiación Cósmica o CIB) que pueden imitar las señales de lensing.

Metodología
Los autores presentan una medición de la correlación cruzada entre la convergencia de lensing del CMB ($\kappa_{\text{CMB}}$) y la cizalladura cósmica ($\gamma$) sobre un área de cielo superpuesta de aproximadamente $1,300 \text{ deg}^2$.

• Datos: El análisis utiliza nuevos mapas de lensing del CMB derivados del conjunto de datos SPT-3G D1 (observaciones de temperatura y polarización de 2019–2020) y los catálogos de cizalladura de el Dark Energy Survey Year 3 (DES Y3).
• Estimadores de Lensing: Para mitigar los sesgos de los primeros planos, los autores emplean cinco variantes diferentes de estimadores cuadráticos (QE):
  1. GMV (Mínima Varianza Global): Utiliza tanto temperatura como polarización; tiene el ruido más bajo pero es más susceptible a los primeros planos.
  2. Pol (Solo Polarización): Utiliza únicamente datos de polarización; se espera que sea robusto contra los primeros planos extragalácticos (que no están polarizados), pero tiene mayor ruido en escalas pequeñas.
  3. GMVprof (Endurecido por Perfil): Mitiga el sesgo de perfiles de fuentes específicas (por ejemplo, cúmulos, fuentes de radio).
  4. GMVtszdpj (tSZ deproyectado): Elimina la contaminación del Sunyaev-Zeldovich térmico (tSZ) mediante la limpieza de gradientes.
  5. GMVxilc (Cross-ILC): Elimina tanto la contaminación por tSZ como por el Fondo de Microondas de Radiación Cósmica (CIB).
• Muestras de Cizalladura: Se utilizan dos muestras de galaxias: la muestra completa de DES Y3 ("Full") y una submuestra de alta pureza de galaxias azules y de formación estelar ("Blue"), que se espera tenga una amplitud de alineación intrínseca insignificante.
• Pipeline de Análisis: Los espectros cruzados ($C_{\ell}^{\kappa\gamma}$) se miden utilizando NaMASTER con técnicas de pseudo-$C_\ell$. El análisis margina las incertidumbres en la calibración de la cizalladura, el desplazamiento al rojo fotométrico, las alineaciones intrínsecas (usando el modelo de Alineación No Lineal) y la retroalimentación bariónica (mediante el parámetro HMCode $\log T_{\text{AGN}}$).
• Validación: El pipeline se valida utilizando las simulaciones Agora, que modelan las correlaciones entre el lensing del CMB, el lensing de galaxias y los primeros planos extragalácticos.

Contribuciones Clave y Resultados

• Detección de Alta Significancia: El artículo reporta la primera medición de alta significancia ($\sim 14\sigma$) de la correlación cruzada entre el lensing del CMB y la cizalladura cósmica utilizando una reconstrucción de lensing del CMB de solo polarización. Esto evita eficazmente los sesgos de los primeros planos extragalácticos. Al incluir datos de temperatura con mitigación de primeros planos, la significancia aumenta a $\sim 15\text{--}16\sigma$.
• Restricciones Cosmológicas: Asumiendo una cosmología $\Lambda$CDM plana y marginando sobre parámetros de confusión (nuisance), el análisis fiduciario (Full $\times$ Pol) produce una restricción sobre la amplitud de agrupamiento de materia de:
  $$S_8 = 0.833^{+0.047}_{-0.061}$$
  Este resultado es consistente tanto con los resultados primarios del CMB (Planck) como con los resultados de solo cizalladura (DES Y3).
• Caracterización del Sesgo de Primeros Planos: El estudio cuantifica los sesgos inducidos por los primeros planos. El estimador GMV bruto (sin mitigación de primeros planos) muestra un sesgo negativo de $\sim 20\text{--}40\%$ en escalas grandes y un sesgo positivo en escalas pequeñas, consistente con la contaminación por tSZ. Los estimadores de solo polarización y los mitigados por primeros planos no muestran un sesgo significativo respecto a la señal verdadera en las simulaciones.
• Alineaciones Intrínsecas: Utilizando la submuestra de galaxias azules con un prior informativo sobre la amplitud de IA (motivado por restricciones externas), la restricción de $S_8$ se ajusta a $0.860 \pm 0.040$. El análisis no encuentra evidencia de una IA distinta de cero en la muestra completa ($A_1 = 0.21^{+0.98}_{-0.75}$) ni evidencia de evolución en el desplazamiento al rojo de la amplitud de la IA.
• Análisis Conjunto con Planck: La combinación de la correlación cruzada con las funciones de verosimilitud de Planck 2018 permite obtener restricciones más estrictas sobre los parámetros astrofísicos. El análisis conjunto arroja restricciones sobre la amplitud de la IA ($A_1$) competitivas con los análisis de solo cizalladura, y proporciona un límite inferior sobre la fuerza de la retroalimentación bariónica ($\log T_{\text{AGN}} > 7.70$) al utilizar el estimador de alto SNR endurecido por perfil.

Significancia
El artículo reclama su significancia principalmente como una demostración del poder de las observaciones de polarización del CMB de bajo ruido para las correlaciones cruzadas cosmológicas. Al lograr una detección de $14\sigma$ utilizando datos de solo polarización, los autores demuestran un método para evitar robustamente los sesgos de los primeros planos extragalácticos que afectan a las reconstrucciones basadas en temperatura. Este trabajo representa una mejora significativa respecto a las mediciones previas de correlación cruzada de solo polarización (por ejemplo, POLARBEAR $\times$ HSC con $3.5\sigma$). Los resultados proporcionan una prueba de consistencia entre el lensing del CMB y el de galaxias, confirmando que la tensión de $S_8$ no es impulsada por un desajuste fundamental entre estos conjuntos de datos específicos. Además, el estudio valida el uso de selecciones de datos a medida (galaxias azules) y técnicas de mitigación de primeros planos para aislar señales cosmológicas, sentando las bases para futuros análisis con conjuntos de datos más grandes de LSST, Euclid y el Observatorio Simons.