Physics-informed inferences of galaxy clustering with Bayesian forward modelling

Abstract

In this thesis, we showcase four novel approaches to constraining the relationship between cosmological observables and the large-scale structure. The majority of the energy content of the Universe in the concordance cosmological model remains largely unknown. Galaxy clustering can constrain the physical mechanism that links galaxy observations to structure formation. Traditional approaches to constraining this relation either rely on summary statistics of galaxy clustering, which lead to information loss or on ad-hoc assumptions, which can bias cosmological conclusions if accounted for improperly. The frameworks presented here ensure the self-consistent propagation of modelled observational uncertainties and extraction of high-order statistics from galaxy clustering. In Paper I, we investigate the potential of supernovae as large- scale structure probes, complementary to galaxy clustering for multi-tracer cosmology. If supernovae are biased relative to galaxies, their combination can improve the mapping of the large-scale structure. We find that supernovae cluster similarly to galaxies at 3.9 Mpc through cross-correlation of supernova locations with the gravitational tidal shear. In the second study, we generate supernova simulations informed about galaxy clustering, galaxy formation and evolution. We model supernova rates from the simulated star-formation histories and estimate the supernova bias with respect to the galaxy density field. We find that supernovae are less clustered than galaxies. The relative biasing signal was obscured in Paper I due to shot noise. In Paper II, we constrain galaxy intrinsic alignment -- a systematic effect in weak gravitational lensing and a probe of galaxy formation and evolution -- accounting for all high-order statistics and nonlinear structure growth down to 15.6 Mpc/h. We report a 4σ detection of galaxy intrinsic alignment, constant with luminosity, color and redshift at 20 Mpc/h. In Paper III, we present a framework to jointly constrain the large-scale structure and photometric galaxy clustering. Our approach is the first to infer the entire structure formation history and the filamentary pattern of the dark matter distribution, despite the large redshift uncertainties. Our approach guarantees the improvement of arbitrarily large photometric redshift uncertainties through galaxy clustering.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζω τέσσερις καινοτόμες προσεγγίσεις στην κατανόηση της σχέσης μεταξύ κοσμολογικών παρατηρήσεων και της δομής μεγάλης κλίμακας. Το μεγαλύτερο μέρος του ενεργειακού περιεχομένου του Σύμπαντος στο τρέχον κοσμολογικό μοντέλο παραμένει άγνωστο. Ο τρόπος με τον οποίο συγκεντρώνονται οι γαλαξίες υπό την επίδραση της βαρύτητας παρέχει πληροφορίες για το φυσικό μηχανισμό που συνδέει παρατηρήσεις γαλαξιών με τη δημιουργία δομής. Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις για την κατανόηση αυτού του μηχανισμού βασίζονται ήδη σε στατιστικές περιλήψεις του φαινομένου, που οδηγούν σε απώλεια πληροφοριών, ή σε μη γενικεύσιμες υποθέσεις που μπορεί να οδηγήσουν σε μεροληψία εάν δε ληφθούν με ακρίβεια υπ' όψη. Οι στατιστικές μέθοδοι που παρουσιάζονται εδώ εγγυώνται την συνεπή διάδοση των παρατηρησιακών αβεβαιοτήτων και την εξαγωγή στατιστικών υψηλής τάξης. Στην πρώτη δημοσίευση, εξερευνώ τη δυναμική των υπερκαινοφανών ως εργαλεία μελέτης της δομής μεγάλης κλίμακας σε συνδυασμό με τη συγκέντρωση των γαλαξιών υπό την επίδραση της βαρύτητας. Εάν οι υπερκαινοφανείς βρίσκονται διαφορετικά κατανεμημένοι στη δομή μεγάλης κλίμακας σε σχέση με τους γαλαξίες, ο συνδυασμός τους μπορεί να βελτιώσει τη χαρτογράφηση της δομής μεγάλης κλίμακας. Το αποτέλεσμα της μελέτης είναι ότι η κατανομή τους είναι παρόμοια με αυτή των γαλαξιών σε κλίμακες 3.9 Mpc μέσω συσχετισμού των θέσεων των δύο πληθυσμών με την εσσιανή του βαρυτικού δυναμικού. Στην επόμενη μελέτη, δημιουργώ προσομοιώσεις υπερκαινοφανών βάσει δεδομένων δημιουργίας, εξέλιξης και συγκέντρωσης γαλαξιών. Μοντελοποιώ τους ρυθμούς παραγωγής υπερκαινοφανών από προσομοιωμένα δεδομένα του ιστορικού αστρικής δημιουργίας στους γαλαξίες και υπολογίζω τη διαφορά των κατανομών υπερκαινοφανών και γαλαξιών στις τρεις διαστάσεις. Βρίσκω ότι οι υπερκαινοφανείς είναι πιο αραιά κατανεμημένοι στο χώρο σε σχέση με τους γαλαξίες. Το φαινόμενο δεν ήταν εμφανές στην πρώτη μελέτη λόγω στατιστικού θορύβου. Στη δεύτερη μελέτη, μετράω το φαινόμενο της εσωτερικής γαλαξιακής ευθυγράμμισης -- μία συστηματική αβεβαιότητα στο ασθενές φαινόμενο του βαρυτικού φακού και εργαλείο για την κατανόηση της γαλαξιακής δημιουργίας και εξέλιξης -- λαμβάνοντας υπόψη όλες τις στατιστικές υψηλής τάξης και τη μη γραμμική δημιουργία δομής στα 15.6 Mpc/h. Η στατιστική υπογραφή του φαινομένου στα δεδομένα είναι 4σ, ενώ το σήμα είναι σταθερό με τη φωτεινότητα, χρώμα και ερυθρή μετατόπιση των γαλαξιών στα 20 Mpc/h. Στην τρίτη μελέτη, παρουσιάζω μία μέθοδο για την ανακατασκευή της τρισδιάστατης δομής μεγάλης κλίμακας από φωτομετρικές παρατηρηήσεις γαλαξιών. Η μέθοδος είναι η πρώτη που επιτρέπει ανακατασκευή της δομής σε διάφορες ερυθρές μετατοπίσης και σε νηματώδη περιβάλλοντα στην κατανομή της σκοτεινής ύλης, παρά τις μεγάλες παρατηρησιακές αβεβαιότητες. Η προσέγγιση αυτή εγγυάται τη βελτίωση μεγάλων φωτομετρικών αβεβαιότητων αξιοποιώντας πληροφορίες από την τρισδιάστατη κατανομή των γαλαξιών.