Cross-correlating spectroscopic and photometric galaxy surveys

Abstract

En esta tesis se estudia el acotamiento en los paraámetros cosmología al combinar observaciones en catálogos de galaxias espectroscópicas y fotométricos. Los catálogos fotométricos miden las distorsiones de lente gravitacional débil (WL), mientras que los catalogos espectroscópicos, con más alta precisión en la información de redshift (o corriento al rojo), son ideales para el estudio de distorsiones espaciales de redshift (RSD). El análisis combinado se realiza únicamente com funciones de correlación angular, lo que simplifica el estudio, en particular en lo que respecta a la inclusión de la covarianza entre observables. El primer capítulo presenta un nuevo algoritmo para el cálculo eficaz de las correlaciones cruzadas de varios marcadores, incluidos WL en correlaciones cruzadas con bines estrechos. Estimar la función de correlación angular es particularmente costoso dado que el número de correlaciones cruzadas aumenta como O(n^2), donde $n$ es el número de bines en redshift. Más adelante, el capítulo estudia el efecto de aproximación de Limber, y RSD en el modelado de correlaciones auto y cruzadas. Para bines de redshift delgados, la aproximación de Limber deja de funcionar y no permite incorporar las correlaciones cruzadas. Al disminuir el ancho de los bines en redshift, crece la amplitude de correlacion y el efecto de RSD, lo que redundará en beneficio del acotamiento de parametros cosmológicos. Una tendencia interesante es la contribución de las oscilaciones acústicas de bariones (BAO) en la correlacion cruzadas entre bines de distitnto redshift. La separacion en redshift entre dos bines reduce la amplitud de las correlaciones en escalas pequeñas, lo que aumenta el contraste en el BAO. También estudiamos la relación señal-ruido de diferentes correlaciones cruzadas. El segundo Capítulo presenta un pronóstico de cotas en la historia de la expansión y del crecimiento cósmico, usando un catalogo spectroscópico y otro fotométrico ficticios de 14000 grados cuadrados cada uno. Cuando estos catalogos se sobrelapan en la misma region del cielo, encontramos mejores cotas en los parametros cosmológicos. Esto es debido a las correlaciones cruzadas adicionales entre catálogos y la reducción de la varianza en el muestreo (debida a la covarianza entre trazadores). En primer lugar mostramos un estudio por separado de la dependencia en el ancho de bin en redshift, en RSD, en BAO y en WL. Encontramos ganancias equivalentes a tener el 30% mas de área en los catalogos cuando estos se superponen en el cielo. Por último, analizamos el origen de esta moderada ganancia en el contexto de la literatura existente. Diferentes grupos han reportado que al solapar los catalogos o bien no encuentran ningún beneficio o bien encuentran grandes beneficios. Nosotros sugerimos que la covarianza entre observables y el uso de diferentes observables puede explicar estas diferencias. El sesgo (bias) en galaxias, relaciona las sobredensidades de galaxias con las del campo de fluctuaciones de materia, de manera que la incertidumbre en el bias limita las predicciones. Por ello investigamos con detalle como las correlaciones cruzadas, RSD, BAO y WL afectan las medidas del bias en galaxias. En particular, cuando los catalogos sobrelapan disminuyen los errores en el bias para la muestras fotométrica. La última seccion cuantifica los beneficios de los "priors'' y los efectos de la estocasticidad en el bias. El impacto de las incertidumbres en las estocasticidad es menor cuando hay sobrelapamiento.

In this thesis we study constraining cosmology when combining spectroscopic and photometric galaxy survey. The photometric survey measures galaxy shape distortions from Weak Lensing (WL), while high precision redshift information makes spectroscopic surveys ideal for redshift space distortions (RSD). The combined analysis is performed entirely in angular-correlation functions, which simplifies the joined analysis, in particular the inclusion of covariance between then. The first chapter introduce a novel algorithm for efficiently calculating the cross-correlations of multiple tracers (i.e. galaxy types/luminosities) and including WL in narrow redshift bin cross-correlations. Estimating the angular-correlations function is in particular demanding since the number for cross-correlations increase O(n^2) with $n$ being the number of redshift bins. Later the chapter study the effect of Limber approximation and RSD on the modeling of auto- and cross-correlations. For thin redshift bins, the Limber approximation completely breaks down and does not allow cross-correlations between redshift bins. Decreasing the bin width increases the amplitude of the galaxy correlations and the effect of RSD, which will benefit the cosmological constraints. One interesting trend is the baryon acoustic oscillation (BAO) contribution in the cross-correlations of redshift bins. The redshift separations between two bins reduce small-scale clustering, hence increasing the BAO contrast. We also study the signal-to-noise of different cross-correlations. The second chapter forecast the constraints on the cosmic expansion and growth history, using two fiducial 14000 sq deg. spectroscopic and photometric galaxy surveys. Overlapping surveys (same sky) has improved constraints from additional cross-correlations and sample variance cancellations (covariance in multiple tracers). We study first separate how redshift bin width, RSD, BAO and WL affect the forecast. We find gains equivalent to 30\% larger areas when using overlapping surveys. Last, we discuss the origen of this moderate gain in the context of existing literature. Different groups reports either none or high benefits for overlapping galaxy surveys. We suggest the covariance between surveys and different same-sky definitions (i.e. different observables) can explain the differences. Galaxy bias relate the galaxy overdensities to the underlying matter fluctuations, and the uncertainty in galaxy bias strongly affects the forecast. We therefore investigate in detail how cross-correlations, RSD, BAO and WL affects constraints on galaxy bias. Overlapping surveys in particular increase constraint on the bias from the photometric sample. Last section quantify the benefit of priors and the effect of bias stochasticity. The impact of uncertainties in bias stochasticity is less for overlapping surveys.