Measuring cosmic expansion and growth with the Lyman-alpha forest in DESI

Abstract

Des de principis dels anys 2000, els estudis cosmològics terrestres i espacials han produït mapes 3D cada cop més detallats de galàxies per estudiar el contingut energètic i la història d'expansió de l'Univers. Les mesures de clúster de galàxies a l'Univers tardà revelen signatures d'oscil·lacions acústiques bariòniques (BAO), és a dir, fluctuacions en la matèria causades per ones sonores que es propaguen a través del plasma previ a la recombinació. La distància màxima recorreguda per aquestes ones durant la recombinació defineix l'horitzó sonor (\(r_d\)), que es manifesta com un pic en la funció de correlació de galàxies. En mesurar aquesta escala a través dels desplaçaments cap al vermell, estudis com el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) restringeixen la història d'expansió i investiguen la naturalesa de l'energia fosca.

Cap a la mateixa època, el bosc de Lyman-\(\alpha\) (Ly$\alpha$) va emergir com a traçador del camp de densitat de la matèria. Aquestes són una sèrie de línies d'absorció en els espectres dels quàsars \footnote{Aquestes també són visibles a les galàxies, però fins ara s'han observat principalment en quàsars.}, que es formen quan la llum d'aquests objectes a la longitud d'ona Ly$\alpha$ ($\sim1216$\,\AA), és absorbida per hidrogen neutre al Medi Intergalàctic (IGM). Com que els quàsars són objectes relativament brillants, el bosc Ly$\alpha$ es pot mesurar amb un desplaçament cap al vermell relativament alt ($z\sim2-4$), cosa que fa que les mesures de BAO siguin extremadament complementàries a les mesures de galàxies amb desplaçament cap al vermell més baix. Al capítol 5, presento les primeres mesures de clústering al bosc Ly$\alpha$ a partir de dades primerenques de DESI, comparant-les amb mesures anteriors de l'Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), el punt de referència anterior. També discutim qualsevol canvi en les tècniques d'anàlisi i processament de dades que hagin millorat respecte a eBOSS.

Més enllà de BAO, la informació cosmològica resideix en la forma completa de la galàxia i les funcions de correlació Ly$\alpha$. Aquestes anàlisis poden utilitzar les distorsions espacials de desplaçament cap al vermell (RSD), la deformació de l'agrupació a l'espai de desplaçament cap al vermell a causa de moviments peculiars dels traçadors, o l'efecte Alcock-Paczyński (AP), que mesura les anisotropies en l'agrupació. El primer també es pot utilitzar per mesurar el creixement còsmic, ja que els moviments peculiars en són una conseqüència directa. Si bé les mesures de forma completa milloren el nostre poder de restricció cosmològica, també són més sensibles a la sistemàtica. Al capítol 6, presento un treball que aborda l'efecte d'un d'aquests errors sistemàtics: el desplaçament cap al vermell dels quàsars. Utilitzant conjunts de dades sintètiques de l'estudi DESI, creem i apliquem un nou model d'aquest efecte als nostres mesuraments de forma completa, que mostrem que eliminen el biaix d'un conjunt clau de paràmetres utilitzats per a la inferència cosmològica.

Un cop finalitzat l'estudi DESI, el succeirà DESI-II. Això es basarà en l'estudi DESI, observant un nombre més gran de galàxies i quàsars, a una profunditat encara més gran (en una petjada parcialment superposada). Això inclou un estudi d'alt desplaçament cap al vermell fins a $z\sim4$, que augmentarà la densitat objectiu de quàsars de 60 a 100 \,$\mathrm{deg}^{-2}$ (respecte a DESI), i observarà dos nous tipus de traçadors: galàxies de ruptura de Lyman (LBG) i emissors de Lyman-$\alpha$ (LAE). Ambdós tipus de galàxies s'observaran fins a una alta densitat, $\sim1000\, \mathrm{deg^{-2}}$, i els LBG a més contenen boscos visibles de Ly$\alpha$ que es poden utilitzar per a la cosmologia. Al capítol 7, detallo un conjunt de previsions DESI-II, que emulen les condicions i la selecció d'objectius de l'estudi.

Desde principios de la década del 2000, los estudios cosmológicos terrestres y espaciales han producido mapas 3D de galaxias cada vez más detallados para estudiar el contenido energético y la historia de expansión del Universo. Las mediciones de agrupamiento de galaxias en el Universo tardío revelan señales de Oscilaciones Acústicas Bariónicas (BAO), fluctuaciones en la materia causadas por ondas sonoras que se propagan a través del plasma prerrecombinación. La distancia máxima recorrida por estas ondas durante la recombinación define el horizonte sonoro (\(r_d\)), que se manifiesta como un pico en la función de correlación galáctica. Al medir esta escala a través de los corrimientos al rojo, estudios como el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) restringen la historia de expansión e investigan la naturaleza de la energía oscura.

Casi al mismo tiempo, el bosque Lyman-\(\alpha\) (Ly$\alpha$) emergió como un trazador del campo de densidad de materia. Se trata de una serie de líneas de absorción en los espectros de los cuásares \footnote{También son visibles en galaxias, pero hasta ahora se han observado principalmente en cuásares.}, que se forman cuando la luz de estos objetos en la longitud de onda Ly$\alpha$ ($\sim1216$\,\AA), es absorbida por hidrógeno neutro en el Medio Intergaláctico (IGM). Dado que los cuásares son objetos relativamente brillantes, el bosque Ly$\alpha$ puede medirse con un corrimiento al rojo relativamente alto ($z\sim2-4$), lo que hace que las mediciones de BAO sean extremadamente complementarias a las mediciones de galaxias con un corrimiento al rojo más bajo. En el capítulo 5, presento las primeras mediciones de agrupamiento en el bosque Ly$\alpha$ a partir de datos tempranos de DESI, comparándolas con mediciones anteriores del Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), el estudio de referencia anterior. También analizo los cambios en las técnicas de análisis y procesamiento de datos que han mejorado eBOSS.

Más allá de BAO, la información cosmológica reside en la forma completa de la galaxia y en las funciones de correlación Ly$\alpha$. Estos análisis pueden utilizar las Distorsiones del Espacio de Desplazamiento al Rojo (DRS) —la deformación de la agrupación en el espacio de desplazamiento al rojo debida a los movimientos peculiares de los trazadores— o el efecto Alcock-Paczyński (AP), que mide las anisotropías en la agrupación. El primero también puede utilizarse para medir el crecimiento cósmico, ya que los movimientos peculiares son una consecuencia directa de él. Si bien las mediciones de forma completa mejoran nuestra capacidad de restricción cosmológica, también son más sensibles a la sistemática. En el capítulo 6, presento un trabajo que aborda el efecto de una de estas sistemáticas: los errores de desplazamiento al rojo de los cuásares. Utilizando conjuntos de datos sintéticos del sondeo DESI, creamos y aplicamos un nuevo modelo de este efecto a nuestras mediciones de forma completa, que demostramos que corrige el sesgo de un conjunto clave de parámetros utilizados para la inferencia cosmológica.

Una vez finalizado el sondeo DESI, será reemplazado por DESI-II. Este se basará en el sondeo DESI, observando un mayor número de galaxias y cuásares, a una profundidad aún mayor (en una huella parcialmente superpuesta). Esto incluye un estudio de alto corrimiento al rojo hasta $z\sim4$, que aumentará la densidad objetivo de cuásares de 60 a 100 \,$\mathrm{deg}^{-2}$ (con respecto a DESI), y observará dos nuevos tipos de trazadores: galaxias de ruptura de Lyman (LBG) y emisores Lyman-$\alpha$ (LAE). Ambos tipos de galaxias se observarán a alta densidad, $\sim1000\, \mathrm{deg^{-2}}$, y las LBG contienen además bosques visibles Ly$\alpha$ que pueden usarse para cosmología. En el capítulo 7, detallo un conjunto de pronósticos DESI-II, que emulan las condiciones y la selección de objetivos del estudio.

Since the early 2000s, ground- and space-based cosmological surveys have produced increasingly detailed 3D maps of galaxies to study the energy content and expansion history of the Universe. Clustering measurements of galaxies in the late-time Universe reveal signatures of Baryon Acoustic Oscillations (BAO)—fluctuations in matter caused by sound waves propagating through the pre-recombination plasma. The maximum distance travelled by these waves at recombination defines the sound horizon (\(r_d\)), which manifests as a peak in the galaxy correlation function. By measuring this scale across redshifts, surveys such as the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) constrain the expansion history and probe the nature of dark energy.

Around the same time, the Lyman-\(\alpha\) (Ly$\alpha$) forest emerged as a tracer of the matter density field. These are a series of absorption lines in the spectra of quasars \footnote{These are also visible in galaxies, but have primarily been observed up until now in quasars.}, formed when light from these objects at the Ly$\alpha$ wavelength ($\sim1216$\,\AA), is absorbed by neutral hydrogen in the Intergalactic Medium (IGM). Because quasars are relatively bright objects, the Ly$\alpha$ forest can be measured at relatively high redshift ($z\sim2-4$), making BAO measurements from it extremely complementary to the lower redshift galaxy measurements. In chapter 5, I present the first clustering measurements in the Ly$\alpha$ forest from early DESI data, comparing them to earlier measurements from the Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) - the previous benchmark. We also discuss any changes to analysis and data processing techniques that have improved upon eBOSS.

Beyond BAO, cosmological information resides in the full shape of the galaxy and Ly$\alpha$\ correlation functions. These analyses can utilise Redshift-Space Distortions (RSD) — the warping of clustering in redshift space due to peculiar motions of tracers — or the Alcock-Paczyński (AP) effect, which measures anisotropies in clustering. The former can also be used to measure cosmic growth, as peculiar motions are a direct consequence of it. While full-shape measurements enhance our cosmological constraining power, they are also more sensitive to systematics. In chapter 6, I present work that addresses the effect of one such systematic - quasar redshift errors. Using synthetic datasets from the DESI survey, we create and apply a new model of this effect to our full-shape measurements, which we show to de-bias a key set of parameters used for cosmological inference.

After the DESI survey has finished, it will be succeeded by DESI-II. This will build on the DESI survey, by observing a larger number of galaxies and quasars, to even greater depth (in a partially overlapping footprint). This includes a high-redshift survey up to $z\sim4$, which will increase the target density of quasars from 60 to 100 \,$\mathrm{deg}^{-2}$ (with respect to DESI), and observe two new tracer types: Lyman break galaxies (LBGs) and Lyman-$\alpha$ emitters (LAE). Both of these galaxy types will be observed to high density, $\sim1000\, \mathrm{deg^{-2}}$, and LBGs additionally contain visible Ly$\alpha$ forests which can be used for cosmology. In chapter 7, I detail a set of DESI-II forecasts, which emulate the conditions and target selection of the survey. We forecast a full set of BAO measurements from LBGs, LAEs and quasars, including cross-correlations between the tracers and their forests. Our cross-correlation of LBGs/LAEs with quasars Ly$\alpha$ forests for example, will take advantage of the high signal-to-noise of the latter, and the high target density of former.