The impact of our peculiar motion on primordial non-Gaussianity measurements using the LIGER4GAL framework

Résumé technique : L'impact du mouvement propre sur les mesures de non-gaussianité primordiale utilisant LIGER4GAL

Énoncé du problème
Les futures enquêtes de galaxies de stade IV (par exemple, DESI, Euclid, SPHEREx) visent à cartographier la structure à grande échelle (LSS) de l'Univers avec une précision sans précédent afin de contraindre la physique fondamentale, y compris l'énergie noire, la matière noire et la non-gaussianité primordiale (PNG). Un défi critique dans ces analyses est la modélisation précise des distorsions de l'espace des vitesses (RSD). Bien que les analyses standard prennent systématiquement en compte l'effet Kaiser d'ordre dominant (vitesses propres des sources), elles négligent souvent les RSD relativistes. Ces effets relativistes, qui incluent des termes intégrés tels que le lentillage gravitationnel faible, l'effet Sachs-Wolfe intégré et l'effet « doigt de l'observateur » (FOTO) (généré par la vitesse propre de l'observateur), deviennent de plus en plus significatifs aux échelles ultra-grandes.

L'article met en évidence un risque spécifique : les effets relativistes, en particulier le signal FOTO, partagent des dépendances d'échelle similaires à la signature PNG locale (paramétrée par $f_{\text{nl}}$). Négliger ces contributions relativistes dans les modèles théoriques peut introduire des biais systématiques dans la mesure de $f_{\text{nl}}$ et d'autres paramètres cosmologiques, conduisant potentiellement à des détections fausses ou à des contraintes incorrectes. Les méthodes précédentes pour générer des catalogues simulés avec des effets relativistes (LIGER4DM) reposaient sur des simulations de faible résolution et un biaisage linéaire, échouant à décrire avec précision le regroupement aux échelles quasi-linéaires et non linéaires où opèrent les analyses modernes.

Méthodologie
Pour remédier à ces limitations, les auteurs introduisent LIGER4GAL, une mise à jour de l'implémentation de la méthode LIGER (LIght cones with GEneral Relativity).

1. Cadre LIGER4GAL : Contrairement à son prédécesseur (LIGER4DM), qui appliquait des transformations de coordonnées aux particules de matière noire (DM) et utilisait un schéma de biaisage linéaire pour générer des champs de galaxies, LIGER4GAL opère directement sur des catalogues d'halos haute résolution.

   • Il utilise des arbres de fusion d'halos et des champs de potentiel gravitationnel dérivés de simulations N-corps haute résolution (spécifiquement la simulation Huge MultiDark Planck, HMDPL).
   • Il applique la carte de coordonnées relativiste complète d'ordre linéaire (incluant les décalages de position et la magnification) directement aux halos.
   • Il peuple ensuite ces halos avec des galaxies en utilisant un modèle de distribution d'occupation d'halos (HOD) cohérent avec les galaxies rouges lumineuses (LRG) de DESI. Crucialement, il corrige les positions et les magnifications des galaxies satellites pour leurs vitesses propres par rapport à leurs halos hôtes, assurant ainsi une cohérence avec le traitement relativiste aux échelles sous-halo.

2. Génération de simulations : Les auteurs ont généré quatre types de catalogues simulés à partir de la simulation HMDPL (boîte de $4 \text{ Gpc}/h$, $4096^3$ particules) pour isoler des effets relativistes spécifiques :

   • R : Espace réel (sans RSD).
   • V : Inclut uniquement les vitesses propres des sources (effet Kaiser standard).
   • G : Inclut toutes les RSD relativistes linéaires, en supposant que l'observateur est au repos dans le référentiel de repos cosmique (CRF).
   • O : Inclut toutes les RSD relativistes linéaires plus la vitesse propre de l'observateur (effet FOTO), utilisant l'amplitude et la direction mesurées par le satellite Planck.

3. Analyse : Les auteurs ont effectué une inférence des paramètres cosmologiques sur ces simulations en utilisant deux approches :

   • Mesure de PNG locale : Ajustement des multipôles du spectre de puissance (monopôle et quadrupôle) pour extraire $f_{\text{nl}}$, en comparant les résultats des catalogues avec et sans traitement relativiste complet.
   • Analyse de forme complète : Utilisation de la théorie du champ effectif (EFT) de la LSS pour contraindre les paramètres cosmologiques ($A_s, \omega_c, h$) dans un modèle $\Lambda$CDM.

Contributions clés

• Implémentation LIGER4GAL : Un pipeline novateur qui intègre les RSD relativistes directement au niveau des traceurs des simulations haute résolution, préservant la précision du regroupement non linéaire tout en maintenant des corrections relativistes d'ordre linéaire.
• Boîte à outils relativiste : Une boîte à outils compagnon (compatible avec halotools) pour peupler les halos avec des galaxies, appliquant de manière cohérente des corrections relativistes à la fois aux positions le long de la ligne de visée et au biais de magnification, tenant compte des vitesses propres des satellites.
• Quantification du biais FOTO : Une évaluation rigoureuse de la manière dont le mouvement propre de l'observateur (effet FOTO) biaise les mesures de $f_{\text{nl}}$, démontrant que cet effet varie considérablement selon différentes réalisations de l'univers.

Résultats

• Validation : LIGER4GAL reproduit avec succès le signal de regroupement non linéaire attendu, surpassant LIGER4DM aux échelles quasi-linéaires où ce dernier surestime le regroupement en raison des limitations de résolution et de biaisage linéaire.
• Détection du signal FOTO : Le signal FOTO a été récupéré avec succès dans le monopôle du spectre de puissance. Le signal est oscillatoire et son amplitude dépend de la géométrie de l'enquête (ciel complet vs masquée) et de la réalisation spécifique de l'univers.
• Biais dans $f_{\text{nl}}$ :
  • Négliger l'effet FOTO introduit un biais dans les mesures de $f_{\text{nl}}$.
  • Pour une enquête partielle de type DESI, omettre l'effet FOTO peut biaiser $f_{\text{nl}}$ de plus de $1\sigma_{f_{\text{nl}}}$ dans environ 40 % des réalisations de l'univers si des échelles jusqu'à $k_{\text{min}} = 0.0015 \, h/\text{Mpc}$ sont incluses.
  • Dans 80 % des réalisations, le biais dépasse $0.25\sigma_{f_{\text{nl}}}$.
  • Le biais dépend de la réalisation ; certaines réalisations montrent un biais négligeable, tandis que d'autres (réalisations à fort FOTO) montrent des décalages allant jusqu'à $1.5\sigma_{f_{\text{nl}}}$.
• Analyse de forme complète : Les RSD relativistes, en particulier les signaux FOTO forts, induisent des décalages systématiques dans les paramètres inférés $A_s$, $\omega_c$ et $h$. Cependant, ces biais sont largement éliminés lorsqu'on exclut les plus grandes échelles ($k < 4 \times 10^{-3} \, h/\text{Mpc}$) généralement utilisées dans les analyses de forme complète.

Signification et affirmations
L'article affirme que, à mesure que les futures enquêtes sondent des volumes plus vastes et incluent des échelles de plus en plus grandes (par exemple, DESI Année 5, Euclid DR3), la contribution du mouvement propre de l'observateur (FOTO) deviendra progressivement plus significative. Les auteurs affirment que :

1. La modélisation standard actuelle, qui néglige souvent les RSD relativistes au-delà de la vitesse propre des sources, risque des biais systématiques dans les mesures de PNG qui pourraient imiter ou masquer des signaux primordiaux.
2. Le cadre LIGER4GAL fournit une méthode robuste et haute fidélité pour générer des catalogues simulés incluant ces effets, permettant des évaluations réalistes des biais systématiques.
3. Bien que le signal FOTO puisse être marginalisé ou modélisé, son omission dans les analyses actuelles de données de type DESI (qui coupent généralement à $k_{\text{min}} \approx 6 \times 10^{-3} \, h/\text{Mpc}$) ne conduit probablement qu'à des biais mineurs pour les jeux de données actuels, mais cela changera à mesure que les analyses s'étendront vers des $k$ plus petits.
4. La boîte à outils permet la génération de cônes de lumière avec des RSD relativistes pour n'importe quelle population de traceurs, à condition que des simulations suffisamment grandes avec des arbres de fusion d'halos soient disponibles, facilitant la préparation pour les contraintes cosmologiques de nouvelle génération.

Les auteurs concluent que l'intégration de ces effets relativistes dans les modèles de spectre de puissance et les matrices de covariance est essentielle pour l'ère de la cosmologie de précision, bien qu'ils notent que la modélisation analytique de ces effets reste difficile en raison de la complexité du mélange des multipôles par la géométrie de l'enquête.