Observations of Type Ia Supernovae combined with the anisotropies of the Cosmic Microwave Background have reinforced the conclusion that the bulk of the total energy density contained in the Universe is dominated by a repulsive dark energy capable of driving the observed accelerated expansion. Unfortunately this scenario is highly degenerate with the more radical breakdown of General Relativity on cosmological scales; in this case, for a precise choice of parameters, modified gravity is able to predict the same expansion history H(z) as in a LCDM (dark energy + GR). In principle, this degeneracy can be lifted by measuring the growth rate of structure, which depends on the specific theory describing gravity. One of the most reliable probes of the growth of structures is provided by redshift-space distortions (RSD). These arise when measured redshifts are used as distance proxy since they contain also the contribution of galaxy peculiar velocities, that is maximal along the line of sight and thus introduces an anisotropy in the measured clustering. Such anisotropy in, e.g., the two-point correlation function, is proportional to the growth rate of cosmic structure f(z), which is a trademark of the gravity theory: if GR holds, we expect to measure a growth rate $f(z)\sim \Omega_m(z)]^{0.55}$; otherwise different forms are predicted. Unfortunately, extracting the linear RSD signal from galaxy redshift surveys is non-trivial, because much of the RSD signal lies on quasi-linear and non-linear scales. This requires a strong effort to properly model non-linear clustering and velocities. The final goal of my thesis project has been the measurement of the growth rate of structure from the new data of the complete VIPERS survey. VIPERS has used the VIMOS spectrograph at the ESO VLT to measure about 100000 galaxy redshifts over an extended redshift range, $0.4<z<1.2$, which probes galaxy clustering down to an age when the Universe was only half of its current age. To achieve this final goal, I have implemented and improved specific techniques and models. First, I developed refined corrections for the VIPERS angular selection function, allowing recovery of the underlying clustering amplitude at the percent level down to the Mpc scale. I thus measured the first two even multipole moments of the anisotropic galaxy auto-correlation function, in two redshift bins at $0.5<z<0.7$ and $0.7<z<1.2$. I then implemented and tested in detail the effect of several improvements on the non-linear modelling of RSD, using a set of realistic VIPERS-like mock catalogues. This includes using novel fitting functions, which I have derived from simulated data, to describe the velocity divergence and density power spectra $P_{\delta\theta}$ and $P_{\theta\theta}$ that appear in RSD models. With these improvements, the growth rate can be recovered with negligible bias down to separations of $5\,h^{-1}$ Mpc, which I consider a major result from my thesis work. Interestingly, with these improved models, the application to real data has a weaker sensitivity to the details of non-linear RSD corrections compared to mock results. I obtain consistent values for the growth rate times the matter power spectrum normalisation parameter of $f\sigma_8=0.55\pm0.12$ and $0.40\pm0.11$ at effective redshifts of $z=0.60$ and $z=0.86$ respectively. These measurements are in agreement with standard cosmology predictions assuming Einstein gravity in a LCDM background, although they still do not exclude a variety of models in which gravity is modified on cosmic scales. This result is described in Pezzotta et al. (2016, arXiv:1612.05645), a paper currently submitted to A&A as part of the VIPERS final science release. A second paper describing the modelling of RSD is currently in preparation (Bel, Pezzotta et al. 2017), while I have contributed also to two other VIPERS papers recently submitted (arXiv:1612.05647 e arXiv:1611.07044).
L'analisi congiunta di supernove Ia e delle anisotropie caratterizzanti la radiazione cosmica di fondo hanno evidenziato come l'Universo sia dominato da un'energia oscura capace di produrre l'espansione accelerata dello stesso. Questo scenario è degenere con la ben più radicale ipotesi che la Relatività Generale non sia più valida su scale cosmologiche; infatti, per una precisa scelta dei parametri, le teorie di gravità modificata sono in grado di predire la stessa espansione H(z) di un LCDM (energia oscura + GR) Questa degenerazione può essere rimossa misurando il tasso di crescita delle strutture, $f(z)$. Uno dei metodi migliori per misurare questo tasso è quello delle distorsioni nello spazio dei redshift (RSD). Quest'ultime compaiono quando i redshift misurati sono usati come indicatori di distanza, dato che essi contengono anche il contributo dato dalle velocità peculiari delle galassie, che è massimale lungo la linea di vista e dunque introduce delle anisotropie nel clustering misurato. Queste distorsioni nella, e.g, funzione di correlazione a due punti sono proporzionali al tasso di crescita. Nel dettaglio, se la Relatività Generale è valida anche su scale cosmologiche, allora ci si aspetta $f(z)\sim\Omega_m(z)]^{0.55}$; in caso contrario sono attese forme funzionali differenti. Purtroppo ottenere informazioni dalle survey di galassie non è semplice, in quanto la maggiorparte del segnale distorto è racchiuso all'interno di scale non lineari. Questo rende la modellizzazione del clustering non lineare uno dei punti cruciali della cosmologia moderna. Lo scopo finale del mio lavoro è stato la misura del tasso di crescita utilizzando i dati finali raccolti dalla survey VIPERS. Questa ha raccolto circa 100000 redshift all'interno di un lunghissimo intervallo di distanze, $0.4<z<1.2$, mostrando come le galassie si ammassino a causa della gravità fino ad un'epoca in cui l'Universo aveva la metà della sua età attuale. Ai fini di questo scopo, ho implementato e migliorato specifiche tecniche di correzione e modelli di RSD. Per prima cosa, ho sviluppato delle nuove correzioni per la funzione di selezione angolare di VIPERS, permettendo il recupero della funzione di correlazione con una accuratezza dell'1% fino a scale di 1 Mpc. Di seguito ho misurato i primi due multipoli pari della funzioni dei correlazione dei dati di VIPERS, in due diversi intervalli di redshift, 0.5<z<0.7$ e $0.7<z<1.2$. Successivamente ho implementato e testato nel dettaglio gli effeti di diversi modelli non lineari di RSD utilizzando un insieme di cataloghi simulati, riproducenti tutte le caratteristiche del campione originale. Questo ha incluso la generazione di nuove fitting functions per gli spettri di velocità, $P_{\delta\theta}$ e $P_{\theta\theta}$, che appaiono nei modelli di RSD. Questi test provano che siamo in grado di misurare il tasso di crescita con un errore trascurabile fino a scale di $5\,h^{-1}$ Mpc. Sorprendentemente l'applicazione di questi test ai dati reali ha mostrato una minor sensibilità dei dati ai diversi modelli proposti in questo lavoro. Ho ottenuto delle misure per il tasso di crescita di $f\sigma_8=0.55\pm0.12$ e $0.40\pm0.11$ a redshift efficaci di $z=0.60$ e $z=0.86$ rispettivamente. Queste misure sono in accordo con le predizioni date dall Relatività Generale in un LCDM; tuttavia esse non escludono modelli a gravità modificata. Questo risultato è descritto in Pezzotta et al. (2016, arXiv:1612.05645), un articolo attualmente sottomesso a A&A come parte dell'analisi dati finale di VIPERS. Un secondo articolo che descrive come migliorare la modellizzazione delle RSD è in preparazione (Bel, Pezzotta et al. 2017), mentre ho partecipato all'analisi di due altri articoli di VIPERS (arXiv:1612.05647 e arXiv:1611.07044).
Cosmological measurements and models of galaxy clustering and redshift-space distortions from galaxy redshift surveys
PEZZOTTA, ANDREA
2017
Abstract
Observations of Type Ia Supernovae combined with the anisotropies of the Cosmic Microwave Background have reinforced the conclusion that the bulk of the total energy density contained in the Universe is dominated by a repulsive dark energy capable of driving the observed accelerated expansion. Unfortunately this scenario is highly degenerate with the more radical breakdown of General Relativity on cosmological scales; in this case, for a precise choice of parameters, modified gravity is able to predict the same expansion history H(z) as in a LCDM (dark energy + GR). In principle, this degeneracy can be lifted by measuring the growth rate of structure, which depends on the specific theory describing gravity. One of the most reliable probes of the growth of structures is provided by redshift-space distortions (RSD). These arise when measured redshifts are used as distance proxy since they contain also the contribution of galaxy peculiar velocities, that is maximal along the line of sight and thus introduces an anisotropy in the measured clustering. Such anisotropy in, e.g., the two-point correlation function, is proportional to the growth rate of cosmic structure f(z), which is a trademark of the gravity theory: if GR holds, we expect to measure a growth rate $f(z)\sim \Omega_m(z)]^{0.55}$; otherwise different forms are predicted. Unfortunately, extracting the linear RSD signal from galaxy redshift surveys is non-trivial, because much of the RSD signal lies on quasi-linear and non-linear scales. This requires a strong effort to properly model non-linear clustering and velocities. The final goal of my thesis project has been the measurement of the growth rate of structure from the new data of the complete VIPERS survey. VIPERS has used the VIMOS spectrograph at the ESO VLT to measure about 100000 galaxy redshifts over an extended redshift range, $0.4File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/20.500.14242/78398
URN:NBN:IT:UNIMIB-78398