Cross-correlation of SPT-3G D1 CMB lensing and DES Y3 galaxy lensing

Sintesi Tecnica: Correlazione incrociata tra il lensing CMB SPT-3G D1 e il lensing galattico DES Y3

Problema e Motivazione
Il debole lensing gravitazionale delle galassie (shear cosmico) e il Fondo Cosmico a Microonde (CMB) forniscono sonde dirette del campo di densità della materia cosmica. Tuttavia, questi osservabili sono sensibili a diverse scale spaziali, intervalli di redshift e sistematiche di rilevamento. Esiste una persistente e lieve tensione nel valore inferito del parametro di ampiezza di clustering della materia, $S_8 \equiv \sigma_8 \sqrt{\Omega_m/0.3}$, dove i sondaggi di shear cosmico misurano tipicamente valori circa 2-3$\sigma$ inferiori rispetto alle previsioni basate sulle misurazioni primarie del CMB (ad esempio, Planck). Sebbene il lensing del CMB da solo sia coerente con il CMB primario, la combinazione di questi dataset indipendenti offre un'opportunità unica per affrontare questa tensione. La loro correlazione incrociata è prevista essere sensibile alle scale che attraversano la transizione non lineare, permettendo una modellazione più semplice rispetto allo shear cosmico da solo, pur mantenendo la sensibilità alla fisica su piccola scala. Inoltre, la correlazione incrociata di dataset indipendenti con diverse sistematiche fornisce un test di coerenza robusto. Le sfide principali in questa misurazione sono la contaminazione da allineamenti intrinseci delle galassie (IA) e dai foreground extragalattici nei dati del CMB (come l'effetto Sunyaev-Zeldovich e il Fondo Cosmico a Infrarossi - CIB), che possono simulare segnali di lensing.

Metodologia
Gli autori presentano una misurazione della correlazione incrociata tra la convergenza del lensing del CMB ($\kappa_{\text{CMB}}$) e lo shear cosmico ($\gamma$) su un'area di cielo sovrapposta di circa $1.300 \text{ deg}^2$.

• Dati: L'analisi utilizza nuove mappe di lensing del CMB derivate dal dataset D1 del South Pole Telescope (SPT-3G) (osservazioni di temperatura e polarizzazione dal 2019–2020) e dai cataloghi di shear del Dark Energy Survey Year 3 (DES Y3).
• Stimatori di Lensing: Per mitigare i bias dei foreground, gli autori impiegano cinque diverse varianti di stimatori quadratici (QE):
  1. GMV (Global Minimum Variance): Utilizza sia temperatura che polarizzazione; rumore minimo ma più suscettibile ai foreground.
  2. Pol (Solo Polarizzazione): Utilizza solo i dati di polarizzazione; si prevede sia robusto contro i foreground extragalattici (che sono non polarizzati), ma presenta un rumore maggiore su piccole scale.
  3. GMVprof (Hardened per profilo): Mitiga il bias da profili di sorgenti specifici (ad esempio, cluster, sorgenti radio).
  4. GMVtszdpj (tSZ-deprojected): Rimuove la contaminazione termica Sunyaev-Zeldovich (tSZ) tramite pulizia del gradiente.
  5. GMVxilc (Cross-ILC): Rimuove sia la contaminazione tSZ che quella del Fondo Cosmico a Infrarossi (CIB).
• Campioni di Shear: Vengono utilizzati due campioni di galassie: il campione completo DES Y3 ("Full") e un sottocampione ad alta purezza di galassie blu e star-forming ("Blue"), che si prevede abbia un'ampiezza di allineamento intrinseco trascurabile.
• Pipeline di Analisi: Gli spettri incrociati ($C_{\ell}^{\kappa\gamma}$) sono misurati usando NaMASTER con tecniche pseudo-$C_\ell$. L'analisi marginalizza sulle incertezze della calibrazione dello shear, dei redshift fotometrici, degli allineamenti intrinseci (usando il modello Non-Linear Alignment) e del feedback barionico (tramite il parametro $\log T_{\text{AGN}}$ di HMCode).
• Validazione: La pipeline è validata utilizzando le simulazioni Agora, che modellano le correlazioni tra lensing del CMB, lensing galattico e foreground extragalattici.

Contributi Chiave e Risultati

• Rilevamento ad Alta Significatività: L'articolo riporta la prima misurazione ad alta significatività ($\sim 14\sigma$) della correlazione incrociata tra lensing del CMB e shear cosmico utilizzando una ricostruzione del lensing del CMB basata solo sulla polarizzazione. Questo evita efficacemente i bias dai foreground extragalattici. Includendo i dati di temperatura con la mitigazione dei foreground, la significatività sale a $\sim 15\text{--}16\sigma$.
• Vincoli Cosmologici: Assumendo una cosmologia $\Lambda$CDM piatta e marginalizzando sui parametri di disturbo, l'analisi fiduciale (Full $\times$ Pol) produce un vincolo sull'ampiezza di clustering della materia di:
  $$S_8 = 0.833^{+0.047}_{-0.061}$$
  Questo risultato è coerente sia con i risultati del CMB primario (Planck) che con i risultati dello shear-only (DES Y3).
• Caratterizzazione del Bias dei Foreground: Lo studio quantifica i bias indotti dai foreground. L'estimatore GMV grezzo (senza mitigazione dei foreground) mostra un bias negativo di $\sim 20\text{--}40\%$ su grandi scale e un bias positivo su piccole scale, coerente con la contaminazione tSZ. Gli estimatori basati solo sulla polarizzazione e quelli con mitigazione dei foreground non mostrano alcun bias significativo rispetto al segnale reale nelle simulazioni.
• Allineamenti Intrinseci: Utilizzando il sottocampione di galassie blu con un prior informativo sull'ampiezza IA (motivato da vincoli esterni), il vincolo su $S_8$ si stringe a $0.860 \pm 0.040$. L'analisi non trova evidenza di IA non nullo nel campione completo ($A_1 = 0.21^{+0.98}_{-0.75}$) e nessuna evidenza per l'evoluzione in redshift dell'ampiezza IA.
• Analisi Congiunta con Planck: Combinare la correlazione incrociata con le likelihood di Planck 2018 permette di ottenere vincoli più stretti sui parametri astrofisici. L'analisi congiunta fornisce vincoli sull'ampiezza IA ($A_1$) competitivi con le analisi shear-only e fornisce un limite inferiore sulla forza del feedback barionico ($\log T_{\text{AGN}} > 7.70$) utilizzando l'estimatore ad alta SNR profile-hardened.

Significatività
Il paper rivendica la propria significatività principalmente come dimostrazione della potenza delle osservazioni di polarizzazione del CMB a basso rumore per le correlazioni incrociate cosmologiche. Ottenendo un rilevamento a $14\sigma$ utilizzando solo i dati di polarizzazione, gli autori dimostrano un metodo per evitare robustamente i bias dei foreground extragalattici che affliggono le ricostruzioni basate sulla temperatura. Questo lavoro rappresenta un miglioramento significativo rispetto alle precedenti misurazioni di correlazione incrociata basate solo sulla polarizzazione (ad esempio, POLARBEAR $\times$ HSC a $3.5\sigma$). I risultati forniscono un controllo di coerenza tra le sonde del lensing del CMB e del lensing galattico, confermando che la tensione $S_8$ non è guidata da un disallineamento fondamentale tra questi specifici dataset. Inoltre, lo studio valida l'uso di selezioni di dati su misura (galassie blu) e tecniche di mitigazione dei foreground per isolare i segnali cosmologici, ponendo le basi per analisi future con dataset più ampi provenienti da LSST, Euclid e l'Observatory Simons.