Bayesian inference of the quasar absorption lines from the three dimensional lyman alpha forest

Abstract

El bosque de Lyman-α est´a compuesto por una serie de l´ıneas de absorci´on en el espectro de cu´asares distantes, que se producen debido a la interacci´on de la radiaci´on ultravioleta con el hidr´ogeno neutro en el medio intergal´actico. Mediante el an´alisis de la distribuci´on en el espacio y de las propiedades estad´ısticas de estas lineas se puede inferir informaci´on valiosa sobre la distribuci´on de la densidad de gas en el medio interg´alactico, que a su vez permite inferir la distribuci´on de materia oscura en estas regiones. El bosque de Lyman-α tambi´en permite la medici´on de las oscilaciones ac´usticas bari´onicas que son particularmente importantes para explorar la expansi´on del universo y constre˜nir par´ametros cosmol´ogicos. Para reducir errores sistem´aticos, errores de selecci´on, y comparar las observaciones con modelos te´oricos, las observaciones del bosque de Lyman-α son comparadas con espectros sint´eticos generados a partir de sofisticadas simulaciones hidrodin´amicas o de N-cuerpos. Sin embargo, el r´apido avance en instrumentaci´on permite la detecci´on de regiones a distancias cosmol´ogicas cada vez mayores y a resoluciones mas all´a de la capacidad de las simulaciones actuales, por lo cual es de particular importancia recurrir a m´etodos alternativos y computacionalmente eficientes para la generaci´on de cat´alogos del bosque de Lyman-α. En esta investigaci´on se propone la aplicaci´on del m´etodo HMC (Hamiltonian Monte Carlo) expuesto en (Kitaura et al 2012b) para generar espectros de absorci´on en la linea de visi´on de alta resoluci´on a partir de los datos obtenidos de la simulaci´on cosmol´ogica GADGET3-OSAKA (Aoyama et al. 2018; Shimizu et al. 2019). El m´etodo HMC permite explorar el espacio de par´ametros de manera m´as eficiente, ahorrando al m´aximo el gasto computacional requerido para la generaci´on de cat´alogos. De igual manera, en este estudio se incluye la modelaci´on de efectos de selecci´on, como la completitud, que puede afectar la medici´on de las l´ıneas de absorci´on en los espectros de cu´asares. A partir de la implementaci´on del m´etodo HMC se logr´o generar espectros de absorci´on del bosque de Lyman-α con una precisi´on del ∼ 5% hasta una escala de k = 1.0 h Mpc−1 que adem´as tienen la caracter´ıstica de conservar las correlaciones en una y tres dimensiones de los datos de partida dando lugar a la generaci´on de cat´alogos del bosque de Lyman-α mas precisos y teniendo en cuenta efectos de selecci´on como la completitud.

The Lyman-α forest is composed of a series of absorption lines in the spectrum of distant quasars, which are produced due to the interaction of ultraviolet radiation with neutral hydrogen clouds in the intergalactic medium. By analyzing the distribution in space and the statistical properties of these lines, valuable information can be inferred about the distribution of gas density in the intergalactic medium, which also allows to infer the distribution of dark matter in these regions. The Lyman-α forest also allows measurements of baryon acoustic oscillations which are particularly important to investigate the expansion history of the universe and to constrain cosmological parameters. To reduce systematic errors, selection effects, and compare observations with theoretical models, Lyman-α forest observations are compared with synthetic spectra generated through full cosmological hydrodynamic N-body simulations. However, the fast advance in technology and instrumentation allows the detection of regions at ever greater cosmological distances and at resolutions beyond the capacity of current simulations. For this reason, it is of particular importance to improve alternative and computationally efficient methods for the generation of mock catalogs of the Lyman-α forest. In this research it is proposed the application of an efficient Hamiltonian Monte Carlo (hereafter HMC) scheme inspired by the work by Kitaura et al. 2012b, to generate high-resolution lineof-sight absorption spectra from the data obtained from the GADGET3-OSAKA cosmological simulation (Aoyama et al. 2018; Shimizu et al. 2019). The HMC method allows to explore the parameter space more efficiently, saving the maximum computational resources for the generation of mock catalogs. Also, this study includes a model of selection effects, such as the completeness, which can affect the measurement of absorption lines in quasar spectra. From the implementation of the HMC method, it was possible to generate absorption spectra of the Lyman-α forest with a precision of ∼ 5% up to a scale of k ∼ 1.0 h Mpc−1 , imposing an arbitrary 1D power spectrum (i.e., along the line of sight) and preserving the 3D power spectrum (i.e., over the whole simulation box). This can allow the generation of more precise Lyman-α forest catalogs, ensuring the correct spatial correlations and taking into account selection effects such as completeness.