The Dark Energy Camera All Data Everywhere cosmic shear project V: Constraints on cosmology and astrophysics from 270 million galaxies across 13,000 deg$^2$ of the sky

Resumo Técnico: O Projeto de Cisalhamento Cósmico da Câmera de Energia Escura (DECADE) - Paper V

Problema e Motivação
O lenticularismo fraco (WL - weak lensing) é uma sonda primária para restringir parâmetros cosmológicos e testar modelos de crescimento de estrutura e energia escura. No entanto, as medições de WL são sensíveis a incertezas sistemáticas, particularmente aquelas decorrentes do feedback bariônico em escalas pequenas e dos alinhamentos intrínsecos (IA) de galáxias. Embora análises anteriores, como o DES Ano 3 (Y3) e os resultados iniciais do DECADE para o Cap Norte Galáctico (NGC), tenham fornecido restrições significativas, elas foram limitadas em cobertura de céu. O projeto DECADE visa reunir, validar e analisar o maior conjunto de dados de lenticularismo fraco até o momento para testar modelos cosmológicos e avaliar o impacto de sistemáticas astrofísicas. Este artigo (Paper V) estende a análise para incluir o Cap Sul Galáctico (SGC) e combina-o com os dados do DES Y3, criando um conjunto de dados unificado de 2 de 270 milhões de galáxias em 13.000 deg². Os principais desafios abordados incluem quantificar a tensão entre as restrições de WL e da Radiação Cósmica de Fundo (CMB), avaliar modelos de energia escura dinâmica e determinar a eficácia dos cortes de escala (scale cuts) versus a modelagem bariônica explícita na mitigação de vieses astrofísicos.

Metodologia
A análise utiliza três vetores de dados de cisalhamento cósmico distintos: DECADE NGC, DECADE SGC e DES Y3.

• Montagem de Dados: A região DECADE SGC adiciona 3.356 deg² de céu ao redor da pegada do DES, contendo 63 milhões de galáxias. O conjunto de dados combinado total ("DECam 13k") cobre 13.000 deg². A análise segue de perto o pipeline do DES Y3, empregando o modelo HMCode para o espectro de potência de matéria não linear e o modelo Tidally Aligned Tidally Torqued (TATT) para alinhamentos intrínsecos.
• Estrutura de Inferência: O estudo utiliza uma abordagem de Monte Carlo via Cadeias de Markov (MCMC) usando o amostrador Polychord dentro do pacote CosmoSIS. A função de verossimilhança assume uma distribuição Gaussiana das funções de correlação de dois pontos angulares ($\xi_{\pm}$). As matrizes de covariância são computadas usando o CosmoCov, incorporando termos Gaussianos, termos de quatro pontos conectados para estrutura não linear, covariância de superamostragem (super-sample covariance) e correções de máscara.
• Modelagem de Bárions: Para abordar a supressão bariônica no espectro de potência de matéria, os autores utilizam um pipeline unificado baseado no código BaryonForge. Isso permite a emulação de três modelos fenomenológicos distintos: BCEmu, Bacco e HMx. O estudo compara restrições derivadas de:
  1. Cortes de escala padrão (excluindo escalas pequenas).
  2. Uso de todas as escalas com modelagem bariônica explícita.
  3. Uso de todas as escalas sem modelagem bariônica.
• Sondas Externas: A análise é estendida combinando dados de WL com dados de Oscilações Acústicas de Bárions (BAO) do DESI DR2 e dados de Supernovas (SNe) do DES Y5 e amostras históricas para restringir modelos de energia escura dinâmica ($w_0w_a$ e $w_\phi$).

Principais Contribuições

1. Maior Conjunto de Dados de Lenticularismo Fraco: Este trabalho apresenta a maior análise de lenticularismo fraco até o momento, combinando 270 milhões de galáxias em 13.000 deg². O conjunto de dados serve como um campo de teste para os futuros levantamentos de Estágio IV, como o LSST.
2. Modelagem Bariônica Unificada: O artigo introduz um framework consistente (BaryonForge) para comparar diferentes modelos de supressão bariônica (BCEmu, Bacco, HMx) no mesmo conjunto de dados, demonstrando que a concordância nas restrições cosmológicas pode ser alcançada se os priors astrofísicos forem suficientemente amplos.
3. Quantificação de Viés Sistemático: O estudo quantifica o viés residual introduzido por efeitos bariônicos ao usar cortes de escala padrão, encontrando um deslocamento de aproximadamente $0,3\sigma$ no plano $S_8-\Omega_m$.
4. Restrições de Energia Escura Dinâmica: O artigo fornece atualizações nas restrições de modelos de energia escura dinâmica, avaliando a melhoria marginal que o lenticularismo oferece sobre os dados de BAO e SNe isoladamente.

Resultos

• Restrições de $\Lambda$CDM: A análise fiduciária produz $S_8 = 0,805 \pm 0,019$ e $\Omega_m = 0,262^{+0,023}_{-0,036}$. Estes resultados são consistentes com as restrições do Planck 2018 dentro de $1,9\sigma$. A Figura de Mérito (FoM) para o conjunto de dados DECam 13k melhora em um fator de três comparado ao DES Y3 sozinho.
• Energia Escura Dinâmica: Quando combinados com dados de BAO e SNe, as restrições nos modelos de energia escura dinâmica mostram desvios de $\Lambda$CDM nos níveis de $3,2\sigma$ ($w_0w_a$) e $3,5\sigma$ ($w_\phi$). A adição de dados de lenticularismo fraco fornece melhorias perceptíveis, porém menores, a essas restrições, principalmente em direções ortogonais aos eixos mais bem restringidos dos dados de BAO/SNe.
• Modelagem de Bárions e Cortes de Escala:
  • Diferentes modelos de bárions (BCEmu, Bacco, HMx) produzem restrições consistentes sobre a supressão do espectro de potência de matéria (aproximadamente 25%) e cosmologia, desde que os priors astrofísicos sejam ampliados (ex: para Bacco e HMx).
  • O uso de todas as escalas com modelagem bariônica explícita melhora a FoM em apenas 7% em comparação com a análise fiduciária usando cortes de escala. A informação adicional das escalas pequenas é usada principalmente para autocalibrar o modelo de bárions, em vez de restringir as restrições cosmológicas.
  • As abordagens atuais de corte de escala resultam em um viés residual de $\approx 0,3\sigma$ no posterior de $S_8-\Omega_m$.
• Alinhamentos Intrínsecos: Os dados do SGC sozinhos não mostram detecção significativa de alinhamentos intrínsecos ($a_1=0, a_2=0$), sendo consistentes com os resultados do NGC e do DES Y3.

Significância e Alegações
O artigo alega que o conjunto de dados DECam 13k representa a análise de lenticularismo fraco mais abrangente disponível, oferecendo um campo de teste robusto para as estratégias de análise de futuros levantamentos. Os autores enfatizam que, embora o conjunto de dados tenha triplicado a cobertura de céu de dados de precisão de WL, o poder estatístico das medições de lenticularismo em escalas pequenas é atualmente limitado pela incapacidade de "autocalibrar" modelos de supressão bariônica apenas a partir de dados de WL. O estudo conclui que, para explorar plenamente o poder estatístico dos dados de pequena escala, são necessárias sondas externas (como os efeitos térmico e cinético de Sunyaev-Zeldovich) ou calibrações dedicadas do modelo de bárions. O trabalho também destaca que a precisão atual é limitada principalmente pelas incertezas de supressão bariônica e sinais de alinhamento intrínseco, e não pela calibração de redshift. Os autores disponibilizam publicamente os catálogos de cisalhamento, vetores de dados e likelihoods do DECADE para facilitar futuras análises de correlação cruzada e exploração científica pela comunidade em geral.