Cosmic voids in the up-coming J-PAS survey: prospects for CMB cross-correlation measurements

Abstract

Los vac´ıos c´osmicos son las estructuras m´as grandes y menos densas de la red c´osmica. Debido a su peculiaridad y a su sensibilidad a la cosmolog´ıa, han sido definidos como una poderosa herramienta cosmol´ogica, ya sea por s´ı mismos o en combinaci´on con el estudio de otros observables cosmol´ogicos. Su huella en los mapas de temperatura y potencial proyectada del fondo c´osmico de microondas (CMB) nos permitir´an explorar la naturaleza de la energ´ıa oscura y los modelos de la gravedad modificada. El estudio de estas regiones es reciente y a´un se conoce muy poco sobre ellas. Los ambiciosos cartografiados actuales y futuros de la estructura a gran escala del universo (Euclid, J-PAS, eBOSS, LSST) brindan una oportunidad singular para medir la respuesta de diversos observables cosmol´ogicos y luego confrontar esas medidas con predicciones te´oricas. Tales cartografiados permitir´an extraer cat´alogos de vac´ıos con muestras de trazadores m´as densas y en ´epocas m´as tempranas que las accedidas hasta el momento. Adem´as, es esencial realizar investigaciones sobre los vac´ıos a partir de las simulaciones y, debido a que sus propiedades los hacen menos sensibles a los efectos de la materia bari´onica, pueden ser estudiados usando simulaciones de N-cuerpos de halos de materia oscura, en lugar de usar simulaciones hidrodin´amicas completas. Teniendo todo esto en mente, nos hemos focalizado en simular el poder observacional que tendr´a uno de los futuros cartografiados, J-PAS (Javalambre Physics of the Accelerating Universe Astrophysical) survey, correlacionando los vac´ıos c´osmicos a alto redshift, usando qu´asares a 0.8 < z < 2.2 como trazadores, con diferentes mapas del fondo c´osmico de microondas: Integrated Sachs-Wolfe (ISW), Sunyaev-Zeldovich (SZ) y lentes gravitaciones (κ). Hemos escogido el futuro J-PAS survey por su combinaci´on de fotometr´ıa y espectroscopia en la toma de datos. Nos ofrecer´a mucha m´as densidad de datos de galaxias con menos precisi´on en su distancia, pero este error en la distancia no es de gran importancia para el estudio de los vac´ıos c´osmicos. Hemos simulado de forma aproximada los datos de QSOs que observar´a J-PAS survey, cogiendo como base el cat´alogo de qu´asares de eBOSS survey, ya que son los ´unicos datos observacionales de QSOs a alto redshift disponibles actualmente. Luego hemos incrementado en dos pasos, J-PAS low (1.5xeBOSS) y J-PAS high (2xeBOSS), la densidad de QSOs, para modelar de forma aproximada el incremento en densidad de J-PAS survey ya que se espera que sus observaciones sean m´as profundas que las de eBOSS survey. Con este fin, hemos usado el cat´alogo de halos de materia oscura de las simulaciones de Websky, para poblar los halos con QSOs mediante la metodolog´ıa de Halo Occupation Distribution (HOD). Despu´es, para encontrar los vac´ıos c´osmicos en los cat´alogos de qu´asares, hemos usado el algoritmo 2D void finder [32]. Este c´odigo, creado para tratar con redshifts fotom´etricos, proyecta los QSOs en cortes 2D de redshift (100 Mpc/h) y encuentra en cada uno de estos los centros y los radios (Rv) de cada vac´ıo. El tama˜no y el n´umero de vac´ıos depende principalmente de dos par´ametros libres: smoothing scale (σ) y underdensity threshold (δmin). Para un valor m´as alto (bajo) de σ encontramos m´as (menos) vac´ıos y un valor m´as bajo (alto) de δmin implica un mayor (menor) n´umero de vac´ıos c´osmicos. Para estudiar la se˜nal de las lentes gravitacionales de los vac´ıos, hemos escogido el mapa CMB de las simulaciones de Websky y lo hemos correlacionado con la posici´on de cada uno de los vac´ıos implementando la metodolog´ıa de stacking. Esta consiste en recortar parches del mapa del CMB alineados con los vac´ıos c´osmicos, y con un re-escalado calcula la se˜nal media, reduciendo as´ı el ruido de los datos. Adem´as, hemos aplicado un smoothing Gaussiano a escalas peque˜nas (FWHM=1◦ ) y hemos eliminado los modos de gran escala del mapa de κ CMB, para suavizar y limpiar el mapa. Por ´ultimo, para calcular la se˜nal-ruido (S/N) de κ procedente de los vac´ıos, hemos realizado 1000 simulaciones aleatorias usando la suma del mapa de ruido aleatorio de Planck [48] y las fluctuaciones de nuestra se˜nal. Al estudiar la se˜nal de cada mapa del CMB de los vac´ıos, las lentes gravitaciones del CMB mostraron una mayor se˜nal y menores fluctuaciones, debido a que entre 2 < z < 3 la se˜nal de κ es 3 m´as eficiente. Por esta raz´on en este proyecto ´unicamente se estudiar´a en profundidad la se˜nal de κ en los vac´ıos c´osmicos. La combinaci´on de par´ametros, aplicados al 2D void finder, que encuentra el mayor numero de vac´ıos posibles con la mayor se˜nal es σ = 30 Mpc/h y δmin = −0.3 para los tres cat´alogos simulados. Aplicando este ajuste de par´ametros, hemos calculado la se˜nal de κ y la S/N. J-PAS high presenta la mayor S/N = 7.1, aumentando en un 20% la S/N de eBOSS y adem´as, la se˜nal de κ en el interior de los vac´ıos en J-PAS high es m´as fuerte (m´as negativa) en comparaci´on con los otros dos cat´alogos. Aunque hay una disminuci´on notable en el numero de vac´ıos a medida que aumenta el numero de densidad de qu´asares de todo el cielo; para J-PAS high es Nvoids = 37449, mientras que para eBOSS es Nvoids = 45818, encontr´andose J-PAS low entre los dos con Nvoids = 40641. Esta reducci´on del numero de vac´ıos c´osmicos cuando aumentamos la densidad de trazadores (QSOs), se deben a la eliminaci´on de vac´ıos espurios, los cuales son regiones aleatorias del cielo que el algoritmo los define como vac´ıos los cuales introducen ruido en los datos. Estos resultados refuerzan la hip´otesis de que J-PAS survey mejorar´a las observaciones realizadas de eBOSS para los vac´ıos c´osmicos. Adem´as, nos informan que J-PAS survey nos permitir´a realizar estudios prometedores en cosmolog´ıa, ya que el catalogo J-PAS high es una estimaci´on conservadora de lo que realmente producir´a J-PAS survey. En el estudio realizado hasta ahora no hemos tenido en cuenta el error del redshift fotom´etrico en el cat´alogo de qu´asares de J-PAS survey (σz ∼ 0.002(1 + z)). Si lo consideramos para J-PAS high, los resultados muestran una reducci´on de 10% en el numero de vac´ıos con una S/N=7.4 y una se˜nal de κ ligeramente m´as fuerte. Una posible explicaci´on para al aumento de la se˜nal es que los 500 vac´ıos perdidos son vac´ıos espurios que desaparecieron tras perturbar ligeramente las posiciones de los QSOs. Finalmente, hemos analizado el efecto en el perfil de κ si aumentamos el redshift. Unicamente hemos encontrado vac´ıos c´osmicos robustos hasta ´ z = 2.8 porque a redshifts m´as altos los qu´asares est´an m´as dispersos. El n´umero de vac´ıos encontrados en 2.2 < z < 2.8 supera en un 35% a J-PAS high, contribuyendo a un aumento de la S/N=7.4, pero la se˜nal de κ disminuye. Esto muestra una reconstrucci´ón de los vac´ıos mala porque los QSOs est´an muy dispersos.