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

技术摘要：DESI-DR1 全形状聚类与弱引力透镜在构型空间中的联合宇宙学拟合

问题与动机
暗能量光谱仪器（DESI）已迈入宇宙学巡天的“第四阶段”时代，其提供的数据集规模比前代仪器高出数个数量级。主要目标是理解暗能量，并解决不同探针（如宇宙微波背景辐射 CMB 与大尺度结构 LSS）之间观测到的宇宙学参数（例如 $S_8$）的张力问题。虽然星系聚类与弱引力透镜天然互补——前者追踪可见物质，后者追踪总物质分布——但进行联合分析并非易事。这需要协调不同的建模方案（聚类的微扰理论与透镜的晕模型），并处理尺度依赖的系统误差。以往联合分析往往要么投影聚类数据（损失了红移空间畸变 RSD 信息），要么使用统一模型，这可能无法同时最优地拟合两个探针的全尺度范围。本研究旨在在构型空间中执行联合"3 $\times$ 2 点”分析，保留来自 DESI 的完整各向异性聚类信息（RSD），并将其与重叠弱透镜巡天中的剪切和星系 - 星系透镜数据相结合。

方法论
分析利用 DESI 数据发布 1（DR1）的亮星系巡天（BGS）和亮红星系（LRG）样本作为透镜示踪体，与 KiDS-1000、DES-Y3 和 HSC-Y3 的弱透镜剪切测量进行交叉关联。

• 数据矢量： 研究结合了三种相关统计量：
  1. 宇宙剪切（$\xi_{\pm}$）： 源星系形状的自相关。
  2. 星系 - 星系透镜（$\gamma_t$）： DESI 透镜位置与源形状之间的交叉相关。
  3. 聚类多极矩（$\xi_\ell$）： DESI 透镜位置的自相关，具体为在全 DESI-DR1 覆盖范围内测量的单极矩（$\ell=0$）和四极矩（$\ell=2$）。
• 建模：
  • 聚类： 作者采用基于傅里叶空间 comet 模拟器的构型空间模拟器，该模拟器使用有效场论（EFT）。为了在不导致傅里叶变换发散的情况下处理非线性红移空间畸变（RSD）和“上帝手指”效应，他们利用了无穷远处的速度差生成函数（$VDG_\infty$）方法。这涉及在变换到构型空间之前，使用有效函数 $W_\infty$ 对功率谱进行阻尼。
  • 弱透镜： 剪切和星系 - 星系透镜采用基于晕模型的功率谱方案进行建模（遵循 Porredon 等人 2025 年的工作），结合了用于内禀排列和放大偏差的非线性排列（NLA）模型。
  • 协方差： 使用解析高斯协方差，包括透镜与聚类之间的交叉相关。然而，聚类多极矩的自协方差被替换为来自 RascalC 代码的半解析确定值，以更好地考虑巡天几何形状和非高斯性。
• 推断： 使用 cosmosis 框架和 nautilus 采样器进行贝叶斯推断。分析侧重于物理参数空间（避免在参数定义中依赖哈勃参数 $h$），约束 $\omega_m$、$\omega_{DE}$、$\sigma_{12}$（12 Mpc 尺度上线性密度场方差的振幅）以及 $\ln(10^{10}A_s)$。

主要贡献

• 首个全形状构型空间分析： 本文首次对 DESI 测量值进行了构型空间中的全形状分析，拟合两点相关函数多极矩的完整形状，而非投影聚类。
• 联合“同天区”分析： 这是首次在一个统一流程中，将多个弱透镜巡天（KiDS、DES、HSC）的完整三点相关函数集合与 DESI 聚类相结合。
• 混合建模方法： 本研究为每个探针采用不同的传统建模方法（聚类的微扰 EFT，透镜的晕模型），而不是强制使用单一统一模型，从而能够访问每个特定可观测值旗舰分析中传统使用的完整尺度范围。
• 验证： 使用 Abacus 光锥模拟验证了该流程，证明了其能够恢复基准宇宙学参数，同时指出由于投影效应，振幅参数存在特定的偏差。

结果

• 宇宙学约束： 联合分析得出的物质密度（$\Omega_m \approx 0.30$）和暗能量密度（$\Omega_{DE} \approx 0.34$）约束与 DESI 的傅里叶空间全形状分析及 Planck CMB 约束一致。
• 振幅参数： 与仅聚类拟合相比，加入弱透镜信息提高了功率谱振幅参数的精度：
  • $\ln(10^{10}A_s)$ 提高了 15%。
  • $\sigma_{12}$ 提高了 36%。
  • 线性偏差（$b_1$）测量值提高了 15–20%。
• $S_8$ 张力： 测得的弱透镜振幅 $S_8$ 值为：
  • $S_8^{\text{DESI}\times\text{HSC}} = 0.787 \pm 0.020$
  • $S_8^{\text{DESI}\times\text{DES}} = 0.791 \pm 0.016$
  • $S_8^{\text{DESI}\times\text{KiDS}} = 0.771 \pm 0.017$
    这些值比 Planck 偏好的 $S_8$ 值低 $1.9\sigma - 2.9\sigma$，与其他弱透镜巡天中发现的张力一致。
• 一致性： 结果显示不同弱透镜巡天之间具有极好的一致性，并且与使用投影聚类的配套论文（Porredon 等人 2025）以及 DESI 合作组的基准傅里叶空间分析一致。
• 投影效应： 模拟分析表明，由于多维参数空间中的投影效应，即使在 $\Lambda$CDM 模型内，振幅参数（$\sigma_{12}$ 和 $\ln(10^{10}A_s)$）在联合拟合中也可能被低估约 $1.5-1.8\sigma$。作者指出，BGS 示踪体在模拟拟合中显示出更大的偏差，这可能是由于使用的晕占据分布（HOD）模型所致。

意义与主张
本文声称为未来 DESI 数据发布与重叠剪切数据集之间的“同天区”交叉关联分析铺平了道路。它作为当前观测的重要一致性检验，证明了在构型空间中进行联合星系聚类和弱透镜拟合可提供精确且一致的宇宙学约束。作者强调，尽管他们观察到投影效应和振幅参数（特别是在模拟中）存在某些偏差迹象，但整体框架是稳健的。他们得出结论，弱透镜是通过打破与星系偏差的简并性来缓解光谱巡天中投影效应的有前景的探针。该工作被呈现为联合探针约束能力的基准分析，将其范围限制在 $\Lambda$CDM 拟合上，以便在未来工作（如 DESI-DR2）中探索暗能量扩展或更复杂的系统误差之前建立基线。