Joint cosmological fits to DESI-DR1 full-shape clustering and weak gravitational lensing in configuration space

Technische Samenvatting: Gecombineerde Kosmologische Fits voor DESI-DR1 Volledige-Vorm Clustering en Zwakke Gravitatielensing in Configuratie Ruimte

Probleem en Motivatie
Het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) is het "Stage IV"-tijdperk van kosmologische surveys ingegaan, met datasets die ordes van grootte groter zijn dan die van voorgangers. Een hoofddoel is het begrijpen van donkere energie en het oplossen van spanningen in kosmologische parameters (bijv. $S_8$) die worden waargenomen tussen verschillende sondes zoals de Kosmische Microgolfachtergrond (CMB) en de groot-schaal structuur (LSS). Hoewel galaxie-clustering en zwakke gravitatielensing van nature complementair zijn – clustering traceert zichtbare materie en lensing traceert de totale materieverdeling – is het uitvoeren van een gezamenlijke analyse niet triviaal. Dit vereist het verzoenen van verschillende modelvoorschriften (perturbatieve theorieën voor clustering versus halo-modellen voor lensing) en het hanteren van schaalafhankelijke systematiek. Eerdere gezamenlijke analyses projecteerden vaak clustering-data (waardoor informatie over Redshift Space Distortion, RSD, verloren ging) of gebruikten uniforme modellen die mogelijk niet optimaal pasten bij het volledige scala aan schalen voor beide sondes. Dit werk heeft tot doel een gezamende "3 $\times$ 2-pt" analyse uit te voeren in configuratie ruimte, waarbij de volledige anisotrope clustering-informatie (RSD) van DESI behouden blijft, terwijl deze wordt gecombineerd met shear en galaxie-galaxie lensing van overlappende zwakke lensing surveys.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van de DESI Data Release 1 (DR1) Bright Galaxy Survey (BGS) en Luminous Red Galaxy (LRG) steekproeven als lens-tracers, gekruist met zwakke lensing shear-metingen van KiDS-1000, DES-Y3 en HSC-Y3.

• Data-vector: De studie combineert drie correlatiestatistieken:
  1. Kosmische Shear ($\xi_{\pm}$): Auto-correlaties van vormen van bron-galaxieën.
  2. Galaxie-Galaxie Lensing ($\gamma_t$): Kruiscorrelaties tussen DESI lens-posities en bron-vormen.
  3. Clustering Multipolen ($\xi_\ell$): Auto-correlaties van DESI lens-posities, specifiek de monopool ($\ell=0$) en kwadrupool ($\ell=2$), gemeten over het volledige DESI-DR1 oppervlak.
• Modellering:
  • Clustering: De auteurs maken gebruik van een emulator in configuratie ruimte gebaseerd op de Fourier-ruimte comet emulator, die Effectieve Veldtheorie (EFT) gebruikt. Om niet-lineaire Redshift Space Distortions (RSD) en het "Fingers-of-God"-effect te hanteren zonder dat Fourier-transformaties divergeren, maken ze gebruik van de Velocity Difference Generating functie bij oneindigheid ($VDG_\infty$) aanpak. Dit houdt in dat het vermogensspectrum wordt gedempt met een effectieve functie $W_\infty$ voordat er wordt getransformeerd naar configuratie ruimte.
  • Zwakke Lensing: De shear en galaxie-galaxie lensing worden gemodelleerd met een op halo-modellen gebaseerde voorschrift voor het vermogensspectrum (volgend op Porredon et al. 2025), waarbij het Non-Linear Alignment (NLA) model wordt opgenomen voor intrinsieke uitlijningen en magnificatie bias.
  • Covariantie: Een analytische Gaussische covariantie wordt gebruikt, inclusief kruiscorrelaties tussen lensing en clustering. De auto-covariantie voor clustering multipolen wordt echter vervangen door een semi-analytische bepaling uit de RascalC code om beter rekening te houden met survey-geometrie en niet-Gaussianiteit.
• Inferentie: Bayesiaanse inferentie wordt uitgevoerd met het cosmosis framework en de nautilus sampler. De analyse richt zich op de fysische parameterruimte (waarbij afhankelijkheid van de Hubble-parameter $h$ in de definitie van parameters wordt vermeden), en beperkt $\omega_m$, $\omega_{DE}$, $\sigma_{12}$ (amplitude van de variantie van het lineaire dichtheidsveld op 12 Mpc schalen) en $\ln(10^{10}A_s)$.

Belangrijkste Bijdragen

• Eerste Volledige-Vorm Configuratie Ruimte Analyse: Dit artikel presenteert de eerste volledige-vorm analyse van DESI-metingen in configuratie ruimte, waarbij de volledige vorm van de twee-punts correlatiefunctie multipolen wordt gefit in plaats van geprojecteerde clustering.
• Gezamende "Same-Sky" Analyse: Het is de eerste studie die de volledige set van drie twee-punts correlatiefuncties voor meerdere zwakke lensing surveys (KiDS, DES, HSC) combineert met DESI clustering in een geünificeerde pipeline.
• Hybride Modellering Aanpak: De studie hanteert onderscheiden, traditionele modelleringaanpakken voor elke probe (perturbatieve EFT voor clustering, halo-modellen voor lensing) in plaats van het forceren van één enkel uniform model, waardoor toegang wordt verkregen tot het volledige scala aan schalen dat traditioneel wordt gebruikt in vlaggenschip analyses voor elke specifieke waarneembare.
• Validatie: De pipeline wordt gevalideerd met Abacus lightcone mocks, waarbij het vermogen wordt aangetoond om fiduciale kosmologie parameters te herstellen, hoewel specifieke bias in amplitude parameters wordt opgemerkt als gevolg van projectie-effecten.

Resultaten

• Kosmologische Beperkingen: De gezamende analyse levert beperkingen op voor de materiedichtheid ($\Omega_m \approx 0.30$) en donkere-energiedichtheid ($\Omega_{DE} \approx 0.34$) die consistent zijn met de Fourier-ruimte volledige-vorm analyse van DESI en Planck CMB-beperkingen.
• Amplitude Parameters: De toevoeging van zwakke lensing informatie verbetert de precisie van de amplitude parameters van het vermogensspectrum in vergelijking met alleen-clustering fits:
  • $\ln(10^{10}A_s)$ verbetert met 15%.
  • $\sigma_{12}$ verbetert met 36%.
  • Lineaire bias ($b_1$) metingen verbeteren met 15–20%.
• $S_8$ Spanning: De gemeten zwakke lensing amplitude $S_8$ waarden zijn:
  • $S_8^{\text{DESI}\times\text{HSC}} = 0.787 \pm 0.020$
  • $S_8^{\text{DESI}\times\text{DES}} = 0.791 \pm 0.016$
  • $S_8^{\text{DESI}\times\text{KiDS}} = 0.771 \pm 0.017$
    Deze waarden liggen $1.9\sigma - 2.9\sigma$ onder de $S_8$ waarde die wordt geprefereerd door Planck, consistent met spanningen gevonden in andere zwakke lensing surveys.
• Consistentie: De resultaten tonen uitstekende consistentie tussen de verschillende zwakke lensing surveys en zijn consistent met het begeleidende artikel (Porredon et al. 2025) dat geprojecteerde clustering gebruikt, evenals met de fiduciale Fourier-ruimte analyse van de DESI Collaboratie.
• Projectie-effecten: Mock analyses onthullen dat amplitude parameters ($\sigma_{12}$ en $\ln(10^{10}A_s)$) in gecombineerde fits kunnen worden bevooroordeeld tot lager door $\sim 1.5-1.8\sigma$ als gevolg van projectie-effecten in de multidimensionale parameterruimte, zelfs binnen $\Lambda$CDM. De auteurs merken op dat de BGS tracer specifiek grotere afwijkingen vertoont in mock fits, mogelijk vanwege het gebruikte Halo Occupation Distribution (HOD) model.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt de weg te effenen voor toekomstige "same-sky" kruiscorrelatie analyses tussen komende DESI data releases en overlappende shear datasets. Het dient als een belangrijke consistentietest voor huidige waarnemingen, waarbij wordt aangetoond dat gezamende galaxie clustering en zwakke lensing fits in configuratie ruimte precieze en consistente kosmologische beperkingen bieden. De auteurs benadrukken dat hoewel ze enkele aanwijzingen waarnemen voor projectie-effecten en bias in amplitude parameters (met name in mocks), het algemene kader robuust is. Zij concluderen dat zwakke lensing een veelbelovende probe is om projectie-effecten in spectroscopische surveys te verminderen door degeneraties met galaxie bias te doorbreken. Het werk wordt gepresenteerd als een benchmark analyse voor de beperkende kracht van gezamende sondes, waarbij de reikwijdte wordt beperkt tot $\Lambda$CDM fits om een basislijn te vestigen voordat donkere-energie-extensies of complexere systematiek in toekomstig werk worden onderzocht (bijv. DESI-DR2).