The 3D clustering of Lyman Alpha Emitters measured with DESI

Sintesi Tecnica: Il Clustering 3D degli Emittenti Lyman Alpha Misurati con DESI

Problema e Motivazione
Gli attuali sondaggi spettroscopici di Stadio IV hanno mappato la struttura su larga scala (LSS) dell'universo con alta precisione fino a redshift $z \lesssim 2$. Tuttavia, estendere la cosmologia di precisione a redshift più elevati ($z \gtrsim 2$) è essenziale per accedere a volumi comoventi più ampi, bracci temporali cosmici più lunghi per le misurazioni del tasso di crescita e più modi (quasi-)lineari. A questi redshift, la principale sonda della LSS è stata la foresta Lyman-$\alpha$, che è limitata dalla scarsità di quasar di fondo e dai contaminanti di fitting del continuo. I traccianti galattici offrono un campionamento più denso e indipendente del campo di materia. Il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) e il suo proposto successore, DESI-II, pianificano di utilizzare gli Emittenti Lyman-$\alpha$ (LAE) come traccianti chiave.

Un prerequisito critico per l'utilizzo degli LAE nelle analisi cosmologiche è una caratterizzazione robusta delle loro proprietà di clustering, specificamente il loro bias lineare e l'affidabilità dei modelli teorici nello spazio dei redshift. Le misurazioni precedenti del bias degli LAE si sono basate sul clustering angolare o su funzioni di correlazione proiettate, che soffrono di una riduzione del rapporto segnale-rumore dovuta agli effetti di proiezione e non possono accedere al quadrupolo ($\xi_2$) della distorsione nello spazio dei redshift (RSD), un osservabile chiave per vincolare il tasso di crescita ($f\sigma_8$). Inoltre, il clustering degli LAE è complicato dagli effetti di trasferimento radiativo (RT), dove lo scattering dei fotoni Ly$\alpha$ da parte dell'idrogeno neutro può introdurre distorsioni dipendenti dalla scala che mimano i segnali RSD. Questo articolo presenta la prima misurazione dei multipoli della funzione di correlazione nello spazio dei redshift 3D ($\xi_0$ e $\xi_2$) e dello spettro di potenza per gli LAE selezionati tramite imaging a banda media, fornendo una calibrazione essenziale per i futi sondaggi ad alto redshift.

Metodologia
L'analisi utilizza osservazioni spettroscopiche del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) che prendono di mira candidati LAE selezionati tramite l'Intermediate Band Imaging Survey (IBIS) usando il Dark Energy Camera (DECam) sul telescopio Blanco. Il sondaggio IBIS impiega cinque filtri a banda media adiacenti (4000–5300 Å) per isolare l'emissione Ly$\alpha$.

• Selezione del Campione: La selezione dei target combina un taglio di "eccesso di picco" (identificazione dell'eccesso di flusso in una banda media rispetto a un continuo sintetico) con tagli di colore broadband (usando dati HSC-SSP) per rigettare gli interlopers a basso redshift. Il campione è limitato al campo COSMOS (programma tertiary54) per garantire un'alta completezza di fibra.
• Spettroscopia: Le osservazioni DESI hanno raggiunto una completezza di fibra del 98,6% all'interno dell'impronta di analisi (0,3 deg < $r$ < 1,4 deg dal centro del campo), eliminando efficacemente la necessità di correzioni per l'assegnazione delle fibre che tipicamente affliggono le misurazioni di clustering su piccola scala. Il campione finale contiene 5.087 LAE con redshift sicuri nell'intervallo $2,26 < z < 3,41$, divisi in due bin: $z \approx 2,5$ e $z \approx 3,0$.
• Misurazione del Clustering: Gli autori hanno misurato la funzione di correlazione a due punti ($\xi$) e i multipoli dello spettro di potenza anisotropo ($P(k)$) ($\ell=0, 2, 4, 6$) sia nello spazio di configurazione che in quello di Fourier. Sono state anche computate le correlazioni incrociate con i quasar (QSO) di DESI DR2 per rompere le degenerazioni nel bias e nella modellazione RT.
• Modellazione:
  • Fit HOD: Modelli di Distribuzione di Occupazione dell'Alone (HOD) sono stati adattati ai multipoli della funzione di correlazione utilizzando cataloghi mock generati dalla suite N-body AbacusSummit. Sono stati testati tre modelli: un HOD standard, un modello di Halo Mass Quenching (HMQ) e un modello che include il bias di velocità.
  • Fit nello Spazio di Fourier: La formalità della Teoria dei Campi Effettivi (EFT) è stata utilizzata per adattare i multipoli dello spettro di potenza. Questo approccio consente una chiara separazione delle scale e l'inclusione di controtermini per modellare la fisica su piccola scala. L'analisi ha incorporato un modello parametrizzato per gli effetti di Trasferimento Radiativo (RT) e ha correlato incrociatamente gli LAE con i QSO per vincolare il parametro RT.
  • Analisi FoG: La forza degli effetti Fingers-of-God (FoG) è stata investigata utilizzando funzioni di correlazione anisotrope, alti multipoli nello spettro di potenza e confronti tra i dati e le simulazioni HOD.
• Risultati Chiave:
• Bias Lineare: L'analisi fornisce vincoli stretti sul bias lineare degli LAE selezionati in banda media. Utilizzando la modellazione EFT, il bias lineare è misurato come $b_1 = 2,31 \pm 0,23$ a $z=2,5$ e $b_1 = 2,62 \pm 0,20$ a $z=3,0$. Questi risultati sono coerenti con i fit del modello HOD ($b \sim 2,2$ e $2,55$) e con la letteratura precedente entro $0,5\sigma$.
• Trasferimento Radiativo (RT): Lo studio fornisce i primi vincoli sulla forza degli effetti RT utilizzando un modello di distorsione a un parametro ($\alpha$). I risultati mostrano una deviazione dallo zero con una significatività inferiore a $2\sigma$ ($\alpha = -0,64 \pm 0,63$ a $z=2,5$ e $\alpha = -0,95 \pm 0,55$ a $z=3,0$). Sebbene i dati permettano distorsioni di ordine unitario, i risultati sono coerenti con effetti RT trascurabili, e l'AIC non favorisce fortemente l'inclusione di RT nel modello.
• Fingers-of-God (FoG): L'analisi indica che gli effetti FoG nella popolazione di LAE sono relativamente deboli. Lo zero-crossing del quadrupolo avviene ad alti numeri d'onda ($k \gtrsim 0,45 \, h \, \text{Mpc}^{-1}$), e la soppressione dello spettro di potenza lungo la linea di vista è minima. Sia i dati che le simulazioni HOD suggeriscono che il contributo FoG è sub-dominante rispetto ai termini perturbativi fino alla scala non lineare ($k_{nl} \sim 0,5 \, h \, \text{Mpc}^{-1}$).
• Caratteristiche HOD: Il modello HOD standard è preferito rispetto ai modelli HMQ e di bias di velocità poiché possiede meno parametri (AIC più basso). L'analisi suggerisce che gli LAE risiedono in aloni con masse intorno a $10^{11,75} \, h^{-1} M_\odot$ e hanno una bassa frazione di satelliti, coerentemente con la loro identificazione come galassie giovani e a bassa massa.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo rivendica di fornire la prima misurazione dei multipoli della funzione di correlazione nello spazio dei redshift 3D ($\xi_0, \xi_2$) per gli LAE tra $2,2 \lesssim z \lesssim 3,5$. Ciò rappresenta un avanzamento significativo rispetto alle precedenti analisi angolari o proiettate, consentendo vincoli diretti sul tasso di crescita ($f\sigma_8$) e test rigorosi dei modelli di clustering teorici.

Gli autori sottolineano che l'alta completezza di fibra del campione DESI tertiary54 permette misurazioni di clustering senza correzioni per l'assegnazione delle fibre, un sistema critico per l'analisi su piccola scala. I vincoli derivati sul bias e la caratterizzazione degli effetti RT e FoG forniscono input essenziali per la previsione e l'ottimizzazione di futuri sondaggi ad alto redshift come DESI-II e Spec-S5. I risultati confermano che gli LAE sono traccianti cosmologici robusti, con segnali di clustering che sono ampiamente lineari e minimamente influenzati da effetti non perturbativi o distorsioni da trasferimento radiativo al livello attuale di precisione. L'articolo conclude che, sebbene i modelli HOD forniscano un buon fit fenomenologico, il lavoro futuro dovrebbe esplorare modelli più fisicamente motivati e scenari RT più complessi man mano che i dataset crescono.