Lyman-alpha Intensity Mapping forecast with the PAU Survey

Abstract

En els pròxims anys, la quantitat de dades observacionals disponibles per l’astrofísica en conjunt, i particularment la cosmologia, hi augmentarà en ordres de magnitud degut als nous programes observacionales i als avançaments tecnològics. Per aprofitar totalment aquestes observacions venideres, nous mètodes estadistics per a obtenir resultats científics han de ser desenvolupats i aplicats. Intensity Mapping és una d’aquests nous mètodes, que consisteix a traçar una línia d’emissió en coordenades angulars i redshift, sense considerar objectes resolts. Aquesta tesi hi està enfocada a la simulació i avaluació d’Intensity Mapping amb la línea Lyα fent la correlació creuada de dos tipus de surveys òptiques: la survey fotomètrica de banda estreta PAUS, i les surveys espectroscòpiques eBOSS i DESI. La primera hauria de contenir emissió Lyα estesa provinent del mitjà intergalàctic al fons de les imatges, mentres que les segones contenen el bosc Lyα (és a dir, el conjunt de línies d’absorció generades pel mitjà intergalàctic) en el seus espectres de quàsars. Al fer la correlació creuada d’ambdues, hauriem d’obtenir una senyal de l’emissió de Lyα difusa, a pesar dels objectes no correlacionats i el soroll a les imatges de PAUS. Per simular aquesta correlació creuada, una simulació hidrodinàmica dissenyada específicament per a l’estudi de Lyα al mitjà intergalàctic ha sigut emprada per simular tant l’emissió Lyα com l’absorció, mentres que els objectes no correlacionats a les imatges de PAUS han sigut modelats utilitzant un catàleg simulat profund al que s’han ajustat plantilles d’emissió espectral als seus objectes. El soroll instrumental i atmosfèric s’ha afegit a les imatges de PAUS simulades mesurant directament el soroll de conjunts d’imatges apilades i emmascarades, i s’ha introduït a la simulació com una distribució gaussiana. A més a més, un codi de correlació creuada ha estat desenvolupat des de zero, optimitzat i validat dins d’aquesta tesi per calcular les correlacions creuades. Els resultats es presenten de forma probabilística: per casos diferents (PAUS- eBOSS, PAUS-DESI i dues extensions hipotètiques de PAUS) han sigut calculades 1,000 correlacions creuades amb realitzacions diferents del soroll instrumental i atmosfèric de les imatges de PAUS, a més de les posicions dels quàsars. Amb l’aproximació optimista de soroll instrumental no correlacionat (el que requeriria més treball reduint les dades), fins l’extensió més llarga de PAUS que hem considerat té tan sols una probabilitat de detecció del 15%; si emprem el soroll correlacionat que s’observa a les imatges, totes les probabilitats passen a ser negligibles. A pesar d’aquests resultats negatius, podem extreure algunes conclusions valuoses. Els diferents tipus de funcions de correlació de dos punts que hem considerat (monopol, paral·lela i perpendicular a la línia de visió) mostren comportaments complementaris: el monopol i la paral·lela tenen un millor rendiment a escales més grans, mentres que la perpendicular sondeja millor les escales menors de 10 Mpc/h. A més a més, el suavitzat en redshift a la senyal de Ly-alpha degut als filtres fotomètrics ha sigut implementat de forma adecuada al model teòric, i fins i tot pot ser emprada per a predir les escales amb millor ràtio entre soroll i senyal per a cada funció de correlació. Per tant, aquests descobriments indiquen que aquesta metodologia pot ser més adequada per les surveys de banda ampla; concloem la tesi donant algunes directrius bàsiques sobre com aquest estudi es pot replicar per aquest tipus de dades.

En los próximos años, la cantidad de datos observacionales disponibles para la astrofísica en conjunto, y particularmente la cosmología, se incrementará en órdenes de magnitud. Para aprovechar totalmente estas próximas observaciones, se han de desarrollar nuevos métodos estadísticos para extraer resultados científicos. Uno de estos nuevos métodos es el Intensity Mapping, que consiste en trazar una línea de emisión en coordenadas angulares y redshift, sin considerar objetos resueltos. Esta tesis está enfocada en la simulación y evaluación del Intensity Mapping con la línea Lyman-alpha haciendo la correlación cruzada de dos tipos de surveys ópticas: la survey fotométrica de banda estrecha PAUS y las surveys espectroscópicas eBOSS y DESI. La primera debe contener emisión Lyman-alpha extensa proveniente del medio intergaláctico del fondo de las imágenes, mientras que las segundas contienen el bosque Lyman-alpha (el conjunto de líneas de absorción generadas por el medio intergaláctico) en los espectros de sus quásares. Al hacer la correlación cruzada de ambas, deberíamos obtener una señal de la emisión de Lyman-alpha difusa, a pesar de los objetos no correlacionados y el ruido en las imágenes de PAUS. Para simular esta correlación cruzada, se ha usado una simulación hidrodinámica especialmente diseñada para el estudio de Lyman-alpha en el medio intergaláctico para simular tanto la emisión como absorción Lyman-alpha, mientras que los objetos no correlacionados de las imágenes de PAUS han sido modelados usando un catálogo simulado profundo al que se le han ajustado plantillas de emisión espectrales a sus objetos. El ruido instrumental y atmosférico se ha añadido a las imágenes de PAUS simuladas midiendo directamente el ruido de conjuntos de imágenes apiladas y enmascaradas, y se ha introducido en la simulación como una distribución gaussiana. Además, se ha desarrollado, optimizado y validado un código de correlación cruzada desde cero dentro del marco de esta tesis, para calcular las correlaciones. Los resultados se presentan de forma probabilística: para los diferentes casos (PAUS-eBOSS, PAUS-DESI y dos extensiones hipotéticas de PAUS) se han calculado 1.000 correlaciones cruzadas con diferentes realizaciones del ruido instrumental y atmosférico, así como las posiciones de los quásares. Con la aproximación optimista del ruido instrumental no correlacionado (lo que requeriría más trabajo reduciendo los datos), incluso la extensión más larga de PAUS considerada tiene tan solo una probabilidad de detección del 15%; si empleamos el ruido correlacionado que se observa en las imágenes, todas las probabilidades pasan a ser despreciables. A pesar de estos resultados negativos, podemos extraer algunas conclusiones valiosas. Los diferentes tipos de de funciones de correlación de dos puntos (monopolo, paralela y perpendicular a la línea de visión) muestran comportamientos complementarios: el monopolo y la paralela tienen un mejor rendimiento a escalas más grandes, mientras que la perpendicular sondea mejor las escalas menores de 10 Mpc/h. Además, el suavizado en redshift de la señal Lyman-alpha debido a los filtros fotométricos se ha implementado de forma adecuada en el modelo teórico, e incluso puede ser utilizada para predecir las escalas con mejor ratio entre señal y ruido para cada función de correlación. Por tanto, estos descubrimientos indican que esta metodología puede ser más adecuada para las surveys de banda ancha; concluimos la tesis dando algunas directrices básicas de cómo este estudio se puede replicar para este tipo de datos.

In the upcoming years, the amount of observational data available for astrophysics as a whole, and particularly cosmology, is expected to increase by ordersof magnitude due to the new observational programs and technological advancements. To fully capitalise on these upcoming observations, new statistical methodsto draw scientific results have to be developed and applied. Intensity Mapping isone of such new methods, which consists on the tracing of a sharp spectral feature(e.g., a emission line) in angular coordinates and redshift, without considering resolved objects.This thesis is focused on the simulation and evaluation of Intensity Mappingwith the Lyα ; line by cross-correlating two kinds of optical surveys: the narrowband photometric survey PAUS, and the spectroscopic surveys eBOSS and DESI.The former should contain extended Lyα ; emission from the intergalactic medium inthe background of the images, while the latter contains the Lyα ; forest (i.e., the setof absorption lines generated by the intergalactic medium) in their quasar spectra.Cross-correlating both then should yield a signal of the diffuse Lyα ; emission, despitethe foregrounds and noise in PAUS images.In order to simulate this, a hydrodynamic simulation specifically designed forthe study of Lyα ; in the intergalactic medium has been used to simulate both Lyα ;emission and absorption, while the foregrounds in PAUS images have been modeled using a deep lightcone mock catalogue and fitting spectral energy distributions to its objects. Instrumental/atmospheric noise has been added to the simulated PAUS images by directly measuring the noise from sets of masked and stackedimages, and introducing it on the simulation as a Gaussian distribution. Besides, across-correlation code in Python has been developed from scratch, optimised andvalidated in the framework of the thesis to compute the cross-correlations.The results are presented in a probabilistic manner: for different cases (PAUSeBOSS, PAUS-DESI and two hypothetical PAUS extensions with DESI) 1,000 crosscorrelations are computed with different realisations of the instrumental/atmosphericnoise of PAUS images, as well as quasar positions. With the optimistic approximation of uncorrelated instrumental noise (which would require further work in datareduction), even the largest PAUS extension considered only yields a probability of detection of - 15%; using the actual correlated noise all the probabilities becomenegligible.In spite of these negative results, some valuable conclusions are extracted. Thedifferent kinds of two-point correlation functions (monopole, parallel and perpendicular to the line of sight) show complementary behaviours: monopole and parallel perform better at larger scales, while perpendicular samples better the scalessmaller than 10 Mpc/h. Besides, the redshift smoothing in the Lyα ; signal due to the photometric filters has been properly implemented in the theoretical model, andcan even be used to predict the scales with better SNR for each correlation function.Therefore, these findings indicate that this methodology may be more suitable forbroad-band surveys; we conclude the thesis giving some basic guidelines on howthis study could be replicated for broad-band data.