Cross-correlation between cosmic microwave background anisotropies and future galaxy surveys

Abstract

The cosmic microwave background (CMB) is a snapshot of the Universe at early times (z ∼ 1100). In the recent years, several experiments have provided constraints on the concordance ΛCDM model from a statistical analysis of the CMB anisotropies. On the other hand, many galaxy surveys will measure the 3D distribution of the dark matter component of the Universe with unprecedented sensitivity and sky coverage. This is a complementary probe to the CMB, since it traces the evolution of the Universe at low redshift. The addition of the two probes will break degeneracies in the parameters which are left when using either CMB or large scale structure (LSS). Moreover, the contributions to the CMB anisotropies along the line-ofsight -the so-called secondary CMB anisotropies- are correlated with the growth of perturbations at low redshift. Therefore, we have an important information in addition to the simple combination of the CMB with large scale structure (LSS) probes from galaxy surveys: the cross-correlation between the CMB and LSS probes, such as galaxy number counts and weak lensing. In this thesis, we study the capability of the CMB-LSS crosscorrelation for constraining cosmological parameters alone or in combination with the CMB and LSS, using mock data and statistical methodologies, in the perspective of upcoming and future cosmological surveys. First, we explore the capabilities of the lensing ratio between the CMB lensing - galaxy clustering and weak lensing - galaxy clustering crosscorrelations, an estimator that under certain approximations is independent on some astrophysical uncertainties such as the galaxy bias and on the multipoles. We forecast a measurement of this ratio with an error around 1-2% using Euclid and future CMB lensing experiments. Furthermore, we evaluate the impact on this ratio of the inclusion of general relativity contributions to the galaxy number counts. We find that accounting for the lensing magnification contribution induces a multipole dependence of the ratio that will not be negligible for future surveys, and propose a new estimator in order to take it into account. With the new formalism, we forecast by a Fisher matrix approach the capability of the lensing ratio for constraining cosmological parameters when it is added to the CMB information. We find that in extended cosmological models the lensing ratio can improve the errors on the dark energy parameters of state and on the curvature density. We have also investigated the global importance of the CMB - LSS cross-correlation in a 2D tomographic approach for a joint analysis CMB and galaxy number counts in the angular space. For this, we compute by a Fisher matrix approach the joint constraints on many extended cosmological models, including the dark energy parametrization for a redshift dependent equation of state, neutrino physics and primordial Universe parameters. We find that the inclusion of cross-correlation can improve the dark energy figure of merit up to a factor ∼ 2. We forecast a detection of the neutrino mass with ∼> 3σ significance by combining CMB-S4 with SPHEREx, just by the analysis of quasi-linear scales. We also predict the measurement of the primordial local non-Gaussianity parameter fNL with an uncertaintiy ∼1-2 by combining the CMB with future radio continuum surveys such as SKA. Our methodology is then applied to models of features caused by deviations from a power law primordial power spectrum. We find that the cross-correlation is useful for helping to constrain these models, in particular for surveys with large redshift coverage such as the radio continuum ones. As a further step, we extend the analysis to the inclusion of weak lensing as additional probe and present the results for the combination of the full Euclid likelihood with the CMB.

El Fondo C´osmico de Microondas (FCM) es una imagen del universo temprano (z ∼ 1100). En los ´ultimos a˜nos, varios experimentos han conseguido restringir los par´ametros del modelo concordante ΛCDM a partir de un an´alisis estad´ıstico de las anisotrop´ıas del FCM. Por otra parte, varios cartografiados de galaxias medir´an la distribuci´on tridimensional de la componente de materia oscura del Universo con una sensibilidad y cobertura sin precedentes. Esta es una herramienta complementaria al FCM, ya que traza la evoluci´on del universo a bajo redshift. La combinaci´on de las dos pruebas romper´a degeneraciones entre par´ametros que permanecen cuando se utilizan o bien el FCM o la estructura a gran escala de manera aislada. Adem´as, las contribuciones a las anisotrop´ıas del FCM a lo largo de la l´ınea de visi´on -las llamadas anisotrop´ıas secundarias- est´an correlacionadas con el crecimiento de las perturbaciones a bajo redshift. Por tanto, disponemos de informaci´on relevante adem´as de la simple combinaci´on del FCM y las pruebas de estructura a gran escala proporcionadas por los cartografiados de galaxias: la correlaci´on cruzada entre el FCM y los trazadores de la estructura a gran escala, como el n´umero de cuentas de galaxias o el efecto lente d´ebil. En esta tesis, estudiamos la capacidad de la correlaci´on cruzada entre FCM y estructura a gran escala para restringir par´ametros cosmol´ogicos, por s´ı sola o en combinaci´on con el FCM y la estructura a gran escala, mediante datos simulados y herramientas estad´ısticas, y en la perspectiva de futuros cartografiados cosmol´ogicos. En primer lugar, exploramos las capacidades del cociente de efecto lente entre las correlaciones cruzadas del efecto lente del FCM con el n´umero de cuentas galaxias, y del efecto lente de galaxias con el n´umero de cuentas de galaxias; un estimador que bajo ciertas aproximaciones es independiente de ciertas incertidumbres astrof´ısicas como el bias de las galaxias y de los multipolos. Predecimos una medici´on de este cociente con un error en torno al 1-2%, usando Euclid y futuros experimentos de FCM para el efecto lente. Adem´as, evaluamos el impacto en el cociente de la inclusi´on de las contribuciones de relatividad general en el n´umero de cuentas de galaxias. Hallamos que la magnificaci´on por efecto lente provoca una dependencia de los multipolos que no es despreciable para futuros cartografiados de galaxias, y proponemos un nuevo estimador para tener este efecto en cuenta. En el nuevo formalismo, predecimos mediante una aproximaci´on de matriz Fisher la capacidad del cociente de efecto lente para restringir par´ametros cosmol´ogicos cuando es combinado con la informaci´on del FCM. Encontramos que, para modelos extendidos, a˜nadir el cociente puede mejorar los errores en los par´ametros de estado de la energ´ıa oscura y en la densidad de curvatura. Despu´es, estudiamos la importancia global de la correlaci´on cruzada entre el FCM y la estructura a gran escala mediante una aproximaci´on 2D tomogr´afica en el espacio angular para el an´alisis conjunto del FCM y el n´umero de cuentas de galaxias. Para ello, calculamos mediante una aproximaci´on de matriz Fisher conjunta los errores en par´ametros de varios modelos cosmol´ogicos extendidos, incluyendo la parametrizaci´on de una ecuaci´on de estado de la energ´ıa oscura que depende del redshift, f´ısica de neutrinos y par´ametros relacionados con el Universo primordial. Encontramos que la inclusi´on de la correlaci´on cruzada puede mejorar la figura de m´erito de la energ´ıa oscura hasta un factor ∼ 2. Predecimos una detecci´on de la masa del neutrino con un grado de significaci´on superior a 3σ mediante la combinaci´on de los experimentos CMB-S4 y SPHEREx, s´olo con el an´alisis de escalas cuasi-lineales. Tambi´en predecimos la medida del par´ametro local de no Gaussianidad primordial fNL con una incertidumbre en torno a ∼ 1 − 2 mediante la combinaci´on del FCM con futuros cartografiados en el radio continuo como SKA. Nuestra metodolog´ıa es tambi´en aplicada a modelos de posibles rasgos causados por desviaciones de una ley de potencias para el espectro de potencias primordial. Encontramos que la correlaci´on cruzada es ´util para ayudar a restringir estos modelos, en particular para cartografiados con gran cobertura en redshift como los de radio continuo. Como siguiente paso, extendemos este an´alisis conjunto bidimensional a la inclusi´on del efecto lente d´ebil de galaxias como prueba adicional y presentamos los resultados para la combinaci´on de la likelihood completa de Euclid con el FCM.