Assessing the large-scale angular clustering of UNIONS Lyman Break Galaxies via cross-correlations

Resumen Técnico: Evaluación del Agrupamiento Angular a Gran Escala de las Galaxias Lyman Break de UNIONS mediante Correlaciones Cruzadas

Planteamiento del Problema
Las galaxias Lyman break (LBGs) en desplazamientos al rojo $z > 2$ son trazadores potentes del Universo de alto desplazamiento al rojo, ofreciendo restricciones únicas sobre el crecimiento de la estructura y la no-gaussianidad primordial ($f_{\text{loc}}^{\text{NL}}$). Sin embargo, la medición de su agrupamiento angular a gran escala mediante sondeos fotométricos de campo amplio como el Ultraviolet Near Infrared Optical Northern Survey (UNIONS) se ve severamente obstaculizada por los sistemas de variaciones espaciales en la imagen. Las variaciones en la profundidad de la Función de Difusión de Punto (PSF), el seeing y la extinción galáctica a través de la huella del sondeo introducen fluctuencias artificiales en la densidad de galaxias observada. Estos sistemas son particularmente problemáticos para muestras de magnitudes limitadas y tenues cerca de la profundidad del sondeo, donde pequeños cambios en las condiciones fotométricas afectan significativamente la completitud de la selección de fuentes. Estudios previos han demostrado que incluso las técnicas de mitigación lineales o no lineales a menudo fallan en eliminar completamente estos contaminantes, haciendo que el espectro de potencia auto-angular de las LBGs sea poco fiable para la inferencia cosmológica en grandes escalas.

Metodología
Este estudio evalúa la viabilidad de utilizar las LBGs seleccionadas por UNIONS como sondas cosmológicas, cambiando el enfoque de las auto-correlaciones hacia las correlaciones cruzadas con trazadores externos menos sensibles a los mismos sistemas de la imagen. La metodología procede de la siguiente manera:

1. Selección de Datos: Las LBGs se seleccionan a partir del catálogo GAaP $ugri$ de UNIONS (que cubre $\sim 3,580$ deg$^2$) utilizando un criterio de u-dropout ($23.5 < r < 24.2$) diseñado para aislar galaxias en $z \sim 2.5$. La muestra produce una densidad superficial promedio de $\sim 1,400$ galaxias deg$^{-2}$.
2. Caracterización de Sistemas: La dependencia de la sobredensidad de las LBGs respecto a las características del sondeo (profundidad de la PSF, seeing) y plantillas astrofísicas (extinción galáctica, densidad estelar) se cuantifica. Se observan correlaciones fuertes, particularmente con la profundidad y el tamaño de la PSF.
3. Estrategias de Mitigación: Se aplican dos métodos de corrección a los mapas de densidad de las LBGs:
   • Desproyección Lineal: Implementada mediante el código namaster, modelando la densidad observada como una combinación lineal de la densidad real del campo y las plantillas de sistemas.
   • Regresión No Lineal: Utilizando el código regressis con algoritmos de Random Forest (RF) para capturar dependencias complejas y no lineales entre la densidad del trazador y los sistemas de la imagen.
4. Validación con Mocks: Se desarrolla un flujo de trabajo de contaminación-descontaminación utilizando campos gaussianos simulados. Se generan mapas de LBGs tipo mock, contaminados utilizando pesos derivados de los datos reales de UNIONS (vía RF), y luego corregidos. Esto valida la capacidad de los métodos para recuperar las señales de entrada en presencia de una contaminación conocida.
5. Análisis de Correlación Cruzada: Los mapas corregidos de las LBGs de UNIONS se correlacionan con:
   • Mapas de convergencia de lente gravitacional de la CMB de Planck PR4.
   • Muestras de cuásares de DESI DR1 y Quaia.
     Los espectros de potencia angular ($C_\ell$) se computan utilizando el estimador pseudo-$C_\ell$ con correcciones de acoplamiento de modos.

Resultados Clave

• Fallo de la Auto-Correlación: El espectro de potencia auto-angular de las LBGs permanece fuertemente contaminado por los sistemas de la imagen incluso después de la mitigación. La potencia medida en grandes escalas ($\ell \lesssim 100$) excede las predicciones teóricas por órdenes de magnitud. Aunque la mitigación reduce la potencia, no recupera un espectro consistente con los modelos teóricos, confirmando que el auto-espectro no es adecuado para la inferencia cosmológica en este conjunto de datos.
• Robustez de la Correlación Cruzada: En contraste, el espectro de potencia cruzada entre las LBGs de UNIONS y los trazadores externos (lente de la CMB y QSOs de DESI) es robusto. Los contaminantes sistemáticos en el mapa de las LBGs están mayoritariamente no correlacionados con los campos de la lente de la CMB o de los QSOs de DESI.
  • El espectro cruzado LBG-lente de la CMB muestra una correlación positiva consistente en amplitud con las expectativas teóricas.
  • Los sistemas residuales se manifiestan principalmente como un aumento en la varianza del estimador en las escalas angulares grandes, en lugar de introducir un sesgo significativo en la señal recuperada.
• Validación con Mocks: Las simulaciones confirman que, mientras que los auto-espectros son sensibles a las suposiciones específicas del modelo de agrupamiento subyacente y a la precisión de los pesos de descontaminación, los espectros cruzados permanecen estables y recuperan la señal de entrada incluso cuando el modelo de contaminación es imperfecto o no lineal.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo establece que las LBGs seleccionadas por UNIONS son trazadores fiables para la cosmología de correlación cruzada a $z \sim 2.5$, a pesar de la presencia de complejos sistemas de la imagen que impiden su uso en estudios de auto-correlación. La principal significancia de este trabajo es la demostración de que las técnicas de correlación cruzada proporcionan una vía poderosa y robusta para extraer información cosmológica de muestras de galaxias fotométricas de alto desplazamiento al rojo.

Los autores presentan la primera detección de la señal de correlación cruzada entre las LBGs de tipo u-dropout y el mapa de lente de la CMB de Planck sobre una huella de cielo sin precedentes ($\sim 6.6\%$ del cielo). Aunque el análisis actual sirve como prueba de concepto utilizando un modelado conservador, valida la metodología requerida para futuras y más precisas restricciones de los parámetros cosmológicos, incluyendo la no-gaussianidad primordial, utilizando sondeos fotométricos de Etapa IV. El estudio destaca que, para muestras tenues de alto desplazamiento al rojo, la correlación cruzada con conjuntos de datos externos no es simplemente una alternativa, sino una estrategia necesaria para sortear las limitaciones impuestas por las inhomogeneidades del sondeo.