Multi-probe cosmological analysis with the dark energy survey

Abstract

Les actuals i futures cartografies de galàxies cobriran un major volum i recolliran imatges de millor qualitat que les obtingudes fins ara, permetent mesures precises de la última etapa de l'Univers i proves potents de la naturalesa de l’energia fosca i la Relativitat General. Aquests cartografiats ens permetran obtenir informació cosmològica a partir de diversos observables, i la combinació d'aquests pot millorar la robustesa i precisió dels resultats de l'anàlisi.

Aquesta tesi es centra en la combinació de diferents traçadors de l'estructura a gran escala (LSS) per tal d'obtenir mesures dels paràmetres cosmològics més precises. Primer, combinem la distribució de galàxies de la mostra corresponent al primer any de dades del Dark Energy Survey (DES Y1) amb la distorsió de la radiació còsmica de fons (CMB) deguda a la matèria fosca on viuen aquestes galàxies (CMB lensing) provinent de la combinació òptima entre el South Pole Telescope i Planck. En aquest anàlisi obtenim mesures en el biaix galàctic, la funció de creixement de LSS i paràmetres cosmològics. Els nostres resultats són consistents amb el model estàndard (\LCDM) i altres resultats de DES Y1. La informació que podem obtenir de l'anàlisi està limitada per les restriccions d'escala, però esperem que millori en els futurs anàlisis.

A continuació, combinem la distribució de galàxies de dues mostres diferents (en l'anomenat mètode multi-traçador) per analitzar els senyals de distorsió en la distribució de galàxies deguda a les seves velocitats ``peculiars'' (RSD) i de la possible contribució no-Gaussiana a les fluctuacions inicials de la distribució de matèria (PNG). Per a aquest propòsit, considerem un parell de mostres optimistes (amb gran nombre de galàxies i diferències en el biaix) i les mostres de DES del 3r any d'observacions (DES Y3) que actuaran con a lents gravitatòries. Trobem que les mesures en RSD poden millorar un factor cinc a distàncies properes i les mesures en PNG un factor tres o més. També comprovem l'impacte d'incloure CMB lensing en l'anàlisi, en el qual no variem la cosmologia, trobant que majoritàriament millora les mesures en el biaix.

Per últim, definim i optimitzem una de galàxies limitada en magnitud que s'utilitzarà per les mesures de la distribució de galàxies en l'anàlisi de DES Y3, actuant com a lent gravitacional respecte a galàxies més llunyanes (lens sample). Per aquest propòsit, ens basem en previsions de Fisher i posem a prova com aquestes canvien al variar el nombre de galàxies i la incertesa en la posició donat un conjunt de talls en magnitud. També caracteritzem l'impacte en els nostres resultats de diferents particions de la mostra en intervals de desplaçament al vermell (redshift), tant per aquesta mostra com per l'altra lens sample (REDMAGIC). Finalment, les nostres previsions mostren que amb aquesta mostra que hem optimitzat podem obtenir mesures un 15\% més precises que amb REDMAGIC.

Ongoing and future photometric surveys will enable detailed measurements of the late-time Universe and powerful tests of the nature of dark energy and General Relativity. These surveys will be able to obtain cosmological constraints from multiple probes, and the combination of these probes can improve their robustness and constraining power.

This thesis is focused on the combination of multiple tracers of large-scale structure (LSS) to obtain tighter cosmological constraints. First, we combine the galaxy clustering from the Dark Energy Survey (DES) Year 1 (Y1) data with CMB lensing from the optimal combination of South Pole Telescope (SPT) and Planck, obtaining constraints on the galaxy bias, the growth function and the cosmological parameters. Our results are consistent with \LCDM$ $ and other measurements of DES Y1. However, their constraining power is limited due to conservative scale cuts. We expect an improved signal-to-noise in future analyses.

We then combine the galaxy clustering of two different galaxy samples (the so-called multi-tracer approach) to explore the constraints on redshift space distortions (RSD) and primordial non-Gaussianities (PNG). For this purpose, we consider a pair of optimistic samples (with large bias differences and number densities) and the DES Year 3 (Y3) lens samples. We find that the constraints on RSD can be improved a factor of five at low redshift with respect to a single tracer, and the constraints on PNG can be improved more than a factor three. We also test the impact of including CMB lensing cross-correlations in our analysis, in which we keep the cosmology fixed, finding it mainly improves the galaxy bias constraints.

Last, we define and optimize a magnitude limited galaxy sample to be used for the galaxy clustering measurements in the DES Y3 analysis, in combination with galaxy-galaxy lensing. We rely on Fisher forecasts, and we test how these change given the variations obtained for the number density and estimated redshift uncertainty for a set of magnitude cuts. We also characterize the impact of redshift binning choices in our cosmological constraints for this sample and the other DES Y3 lens sample: REDMAGIC. Finally, our forecasts show that we can potentially obtain 15\% tighter constraints with this magnitude limited sample, compared to REDMAGIC.