Increasing the sensitivity of full-shape galaxy clustering measurements in configuration-space with three-point statistics

Résumé technique : Augmenter la sensibilité des mesures de l'amas de galaxies en forme complète dans l'espace de configuration avec les statistiques à trois points

Problème et motivation
Les analyses cosmologiques standard de la grande structure à grande échelle (LSS) reposent fortement sur les statistiques à deux points (2PCF), particulièrement sur la caractéristique des oscillations acoustiques de baryons (BAO) et la modélisation de la forme complète sur les échelles linéaires et quasi-linéaires. Bien que robustes, ces approches rejettent l'information non gaussienne générée par l'évolution gravitationnelle tardive, les distorsions dans l'espace des redshifts et le biais des galaxies. La fonction de corrélation à trois points (3PCF) capture ces corrélations d'ordre supérieur, offrant une extension naturelle de la 2PCF pour sonder la structure non linéaire. Cependant, l'extraction d'informations cosmologiques à partir d'échelles non linéaires reste un défi en raison de la rupture de la théorie des perturbations et de la complexité computationnelle de la modélisation de vecteurs de données de haute dimension. De plus, les incertitudes liées à la connexion galaxie-halo (biais) masquent souvent les contraintes cosmologiques sur les petites échelles. Ce travail étudie si un estimateur de 3PCF compressé et dépendant de la ligne de visée (LOS) peut significativement améliorer les contraintes cosmologiques sur des échelles plus petites que la caractéristique BAO ($\lesssim 80 \, h^{-1}\text{Mpc}$) pour les futurs relevés comme le télescope spatial Nancy Grace Roman (Roman) et l'instrument DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument).

Méthodologie
Les auteurs utilisent la suite de simulations N-corps AbacusSummit, spécifiquement des instantanés à $z=1.1$ et $z=0.8$, peuplés de galaxies à l'aide de modèles de Distribution d'Occupation des Halos (HOD).

• Simulations : La cosmologie fiduciaire ($c000$) est basée sur Planck 2018. Un ensemble de simulations décalées ($c100, c102, \dots$) fait varier les paramètres cosmologiques ($h, \omega_{cdm}, n_s, \alpha_s, \sigma_8, N_{ur}, w_0$), tandis que des simulations supplémentaires ($c901, \dots$) font varier les paramètres HOD ($\log M_{cut}, \sigma, \log M_1, \alpha$).
• Échantillons de galaxies : Deux échantillons représentatifs sont modélisés : des galaxies à raies d'émission (ELG) de type Roman à $z \approx 1.1$ et des galaxies rouges lumineuses (LRG) de type DESI à $z \approx 0.8$.
• Statistiques :
  • 2PCF : Calculée à l'aide de Corrfunc, restreinte aux échelles $2.5 < s < 82.5 \, h^{-1}\text{Mpc}$ pour éviter la caractéristique BAO. Les multipoles monopole ($\ell=0$) et quadripole ($\ell=2$) sont utilisés.
  • 3PCF : Mesurée à l'aide de TriCo, un code de comptage de triangles en espace de configuration rapide. Les auteurs introduisent une nouvelle décomposition dépendante de la ligne de visée (LOS). Les triangles sont classés par deux longueurs de côté ($s_1, s_2$) et les cosinus des angles que ces côtés forment avec la LOS ($\mu_1, \mu_2$).
  • Compression : Pour gérer la dimensionnalité, $\mu$ est classé en trois catégories : parallèle ($\parallel$), transverse ($\perp$) et mixte. Cela produit trois composantes de 3PCF distinctes ($\bar{\zeta}_{\parallel}, \bar{\zeta}_{\text{mix}}, \bar{\zeta}_{\perp}$) en plus des multipoles standard de la 2PCF.
• Modélisation : Un modèle de réponse linéaire est construit autour des paramètres fiduciaux en utilisant les simulations décalées pour estimer la jacobienne du vecteur de données. Les paramètres HOD sont traités comme des paramètres de nuisance et sont marginalisés.
• Covariance : La matrice de covariance est estimée à partir de 1000 simulations indépendantes de petite boîte ($500 \, h^{-1}\text{Mpc}$), re-scalées au volume de la boîte complète ($2 \, h^{-1}\text{Gpc}$). Une covariance effective fixe est utilisée pour les prévisions afin d'éviter les complications de vraisemblance dépendantes des paramètres, en incorporant une correction de Hartlap pour le nombre fini de mocks.

Contributions clés

1. Nouvel estimateur : Le développement d'une base de 3PCF compressée et dépendante de la LOS qui préserve les informations anisotropes pertinentes pour le regroupement dans l'espace des redshifts tout en maintenant une taille de vecteur de données gérable (440 éléments pour l'ensemble complet).
2. Prévision basée sur la simulation : L'application d'un cadre basé sur la simulation qui marginalise explicitement les incertitudes HOD, permettant une quantification robuste du gain d'information relatif de la 3PCF sans dépendre d'un étalonnage absolu du biais.
3. Validation : Une validation rigoureuse du modèle de réponse linéaire à l'aide de cosmologies AbacusSummit supplémentaires, confirmant son adéquation pour les comparaisons de niveau de prévision près du point fiduciaire tout en reconnaissant les limites sur les plus petites échelles.

Résultats
Les prévisions, réalisées par Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) sur les échantillons Roman ELG et DESI LRG, mènent aux conclusions suivantes :

• Amélioration significative des contraintes : L'incorporation de la 3PCF dépendante de la LOS aux côtés de la monopole et du quadripole de la 2PCF resserre considérablement les contraintes cosmologiques. Pour l'échantillon Roman ELG, la contrainte sur $\sigma_8$ s'améliore d'un facteur $\sim 5$ par rapport au cas de la 2PCF seule. Des améliorations similaires, bien que légèrement moindres (facteurs de 2 à 4), sont observées pour d'autres paramètres cosmologiques ($h, \omega_{cdm}, n_s, w_0$) et les paramètres HOD.
• Gain d'information cumulé : L'amélioration n'est pas pilotée par une seule échelle ou une configuration de triangle spécifique. Les diagnostics de $\chi^2$ cumulés montrent que l'information est distribuée largement à travers les configurations de triangles, indiquant que le gain provient du contenu d'information cumulé du signal de regroupement non linéaire.
• Importance de la dépendance à la LOS : Restreindre l'analyse au monopole de la 3PCF (moyenné sur la LOS) ne capture qu'une partie de l'information disponible. La mesure complète dépendante de la LOS fournit une amélioration supplémentaire d'un facteur $\sim 2\text{--}3$ par rapport au monopole seul, démontant que l'orientation des configurations de triangles par rapport à la LOS porte une information cosmologique critique.
• Robustesse au biais : Les gains persistent même après la marginalisation sur les paramètres HOD, suggérant que la 3PCF aide à briser les dégénérescences entre les paramètres cosmologiques et le biais des galaxies.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que ce travail démontre la viabilité de l'utilisation de mesures de 3PCF à petite échelle et dépendantes de la LOS pour augmenter significativement la sensibilité des analyses de regroupement de galaxies en forme complète. Ils soulignent que la méthode fournit un « véritable effet de regroupement d'ordre supérieur » plutôt qu'une réponse à une caractéristique localisée.

L'article stipule explicitement que ces résultats sont des prévisions relatives basées sur un volume de boîte périodique idéalisé et ne prédisent pas le pouvoir de contrainte exact de échantillons spécifiques de Roman ou DESI, qui nécessiterait de prendre en compte la géométrie du relevage, les collisions de fibres et d'autres systématiques. Cependant, les auteurs soutiennent que l'amélioration relative (par exemple, le gain d'un facteur 5 sur $\sigma_8$) est un indicateur robuste de la valeur de l'inclusion de l'information 3PCF dans les futurses analyses de forme complète. Ce travail sert d'étape vers des analyses basées sur les simulations qui combinent les informations à deux et trois points tout en marginalisant sur la connexion galaxie-halo, offrant une voie prometteuse pour utiliser les échelles non linéaires qui sont actuellement difficiles à modéliser.