Probing the matter-dominated expansion with multi-redshift Lyman-$\alpha$ BAO from DESI DR2

Resumen Técnico: Sondeo de la expansión dominada por la materia con BAO de Lyman-$\alpha$ de múltiples desplazamientos al rojo de DESI DR2

Problema y Motivación
El Instrumento de Espectroscopía de Energía Oscura (DESI) ha producido las mediciones de las Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO) de gran escala más precisas hasta la fecha para desplazamientos al rojo $z > 2$, utilizando el bosque de Lyman-$\alpha$ (Ly$\alpha$). Los análisis previos de DESI (DR1 y DR2) comprimieron la información del bosque de Ly$\alpha$ en un único desplazamiento al rojo efectivo ($z_{\rm eff} = 2.33$). Si bien este enfoque permitió obtener mediciones de distancia de alta precisión, promedió sobre la fuerte evolución en el desplazamiento al rojo del sesgo (bias) del bosque de Ly$\alpha$ y otros parámetros astrofísicos. Además, un análisis de un solo bin impide una prueba directa e independiente de la cosmología de la historia de la expansión dentro de la era dominada por la materia ($2 \lesssim z \lesssim 3$), donde la energía oscura es dinámicamente subdominante. Este artículo aborda la necesidad de resolver la evolución de las escalas de distancia de BAO y los parámetros astrofísicos a través del tiempo cósmico dividiendo la muestra de Ly$\alpha$ de DESI DR2 en múltiples bins de desplazamiento al rojo.

Metodología
Los autores reanalizan los datos del bosque de Ly$\alpha$ de DESI DR2 (sobre 820,000 espectros de cuásares y 1.2 millones de posiciones de cuásares) utilizando un novedoso esquema de división por bins de desplazamiento al rojo basado en pares. A diferencia de la división previa a nivel de bosque (por ejemplo, en eBOSS), este método asigna pares individuales de píxel-píxel y píxel-cuásar a los bins de desplazamiento al rojo basándose en su desplazamiento al rojo medio de par, $z_{\rm pair}$. La muestra se divide en tres bins: $z_{\rm pair} \le 2.25$, $2.25 < z_{\rm pair} \le 2.6$, y $z_{\rm pair} > 2.6$, que corresponden a desplazamientos al rojo efectivos de $z_{\rm eff} = 2.13, 2.40,$ y $2.81$.

Las adaptaciones metodológicas clave incluyen:

• Estimación de la Función de Correlación: Cálculo de autocorrelaciones (Ly$\alpha \times$ Ly$\alpha$) y correlaciones cruzadas (Ly$\alpha \times$ QSO) dentro de estos bins específicos de nivel de par.
• Matriz de Distorsión: Adaptación de la matriz de distorsión para tener en cuenta el hecho de que un solo bosque puede contribuir a múltiples bins, lo que podría inducir correlaciones entre bins debido a las distorsiones de ajuste de continuo. Los autores cuantifican estas correlaciones entre bins en el Apéndice A, encontrándolas insignificantes a la precisión actual.
• Modelado: Ajuste de las funciones de correlación utilizando el modelo estándar de BAO de Ly$\alpha$ de DESI DR2 (implementado en el paquete Vega), que incluye parámetros de escala BAO ($\alpha_\parallel, \alpha_\perp$), parámetros de nulidad (nuisance) para la contaminación metálica, sistemas de alta columna (HCD), errores de desplazamiento al rojo de cuásares y el efecto de proximidad transversal.
• Validación: El pipeline se valida en 400 conjuntos de datos sintéticos (300 CoLoRe-QL y 100 mocks de Saclay). El análisis confirma la recuperación sin sesgo de los parámetros de BAO y la calibración de las incertididades, aunque identifica un desplazamiento sistemático en las distribuciones de $\chi^2$ causado por el suavizado de la matriz de covarianza, lo que afecta a las estadísticas de bondad de ajuste pero no a las estimaciones de los parámetros.

Resultos Clave

1. Mediciones de BAO: El análisis produce mediciones de BAO isotrópicas con una precisión de $\sim 1.1\text{--}1.2\%$ por bin. Las relaciones de distancia derivadas muestran una evolución clara:

   • El parámetro de dilatación isotrópica $D_V/r_d$ aumenta de $30.26 \pm 0.39$ a $32.22 \pm 0.47$.
   • El parámetro de Alcock-Paczyński $D_M/D_H$ aumenta de $3.96 \pm 0.15$ a $5.63^{+0.22}_{-0.24}$.
   • La distancia de Hubble $D_H/r_d$ disminuye de $9.40 \pm 0.20$ a $7.22 \pm 0.17$.
   • El bin de menor desplazamiento al rojo ($z_{\rm eff}=2.13$) exhibe una baja probabilidad de exceder (PTE = 0.01), atribuida a sistemáticas localizadas de pequeña escala y al suavizado de la covarianza, pero la escala de BAO recuperada es robusta bajo diversas pruebas.

2. Evolución en el Desplazamiento al Rojo de los Parámetros: El ajuste multi-bin proporciona una medición autoconsistente de la evolución de los parámetros:

   • Sesgo de Ly$\alpha$: Evoluciona como $(1+z)^{\gamma_\alpha}$ con $\gamma_\alpha = 3.05 \pm 0.16$, consistente con el escalamiento estándar de $\sim 2.9$.
   • Parámetro de RSD: El parámetro efectivo de RSD $\beta'_\alpha$ disminuye con el desplazamiento al rojo, con un índice de evolución $\gamma_\beta = -0.97 \pm 0.26$, mostrando una preferencia de $\sim 3.7\sigma$ por una evolución no nula.
   • Sesgo de Cuásar: Evoluciona como $(1+z)^{\gamma_Q}$ con $\gamma_Q = 1.56 \pm 0.23$, consistente con mediciones independientes de agrupamiento (clustering) de cuásares.

3. Prueba de la Historia de la Expansión: Utilizando las mediciones de distancia radial ($D_H/r_d$), los autores realizan una prueba directa de la historia de la expansión dominada por la materia. El ajuste del modelo $H(z) \propto (1+z)^n$ arroja $n = 1.34 \pm 0.16$. Este resultado es consistente con la expectativa de Einstein-de Sitter ($n=1.5$) al nivel de $1\sigma$ y representa la primera prueba directa, con una precisión de $\sim 12\%$, de las ecuaciones de Friedmann en este régimen de desplazamiento al rojo. Los datos sintéticos generados a partir del modelo de cosmología $\Lambda$CDM fiduciario producen $n = 1.42 \pm 0.16$, lo que sugiere que los datos favorecen ligeramente la predicción de $\Lambda$CDM sobre la de Einstein-de Sitter pura, aunque las incertididades actuales impiden una distinción definitiva.

4. Restricciones Cosmológicas: Al combinarse con otros trazadores de DESI DR2 (galaxias y cuásares) y conjuntos de datos externos (CMB y supernovas):

   • Las restricciones sobre los modelos $\Lambda$CDM plano y $w_0w_a$CDM siguen siendo consistentes con los análisis de un solo bin, con cambios insignificantes en las medias de los parámetros.
   • Para el modelo no plano ($\Lambda$CDM + $\Omega_K$), el análisis de tres bins mejora la Figura de Mérito en un $\sim 15\%$ en el plano $(\Omega_m, \Omega_K)$, estrechando la restricción de curvatura de $10^3\Omega_K = 25 \pm 41$ (un solo bin) a $10^3\Omega_K = -5 \pm 36$.

Significado
El artículo afirma presentar el primer análisis de BAO de múltiples desplazamientos al rojo de la línea Lyman-$\alpha$ utilizando datos de DESI. Su principal significación radica en demostrar la viabilidad de dividir la muestra del bosque de Ly$\alpha$ para medir simultáneamente las distancias de BAO y la evolución en el desplazamiento al rojo de los sesgos astrofísicos dentro de un único marco. Este enfoque permite una sonda directa e independiente del modelo de la historia de la expansión durante la era dominada por la materia, un régimen previamente inaccesible para los sondeos de galaxias. Los resultados validan la robustez del pipeline de Ly$\alpha$ de DESI frente a las sistemáticas dependientes del desplazamiento al rojo y proporcionan una base para futuros análisis (por ejemplo, DESI Run 2, Spec-S5) que aprovecharán mayores estadísticas y rangos de desplazamiento al rojo extendidos para refinar aún más las mediciones de la historia de la expansión y las propiedades de la energía oscura.