Reconstruir el efecto de lente gravitacional a partir de la densidad de galaxias

• Título: Galaxy bias from the DES Science Verification Data: combining galaxy density maps and weak lensing maps
• Autores: C. Chang et al. (DES collaboration).
• Institución del primer autor: ETH Zurich.

Antecedentes

En un post anterior vimos como es posible combinar el efecto de lente gravitacional en el fondo de radiacion (CMB) con un catálogo de galaxias para estudiar la relacion entre la estructura de la distribución de galaxias y la densidad de materia en el Universo. La relación entre estas dos cantidades no está clara al cien por cien, pero hay indicaciones, tanto teóricas como observacionales, de que a grandes escalas los contrastes de densidad de galaxias y de materia deben ser proporcionales. El factor de proporcionalidad se conoce como “bias“, y constituye uno de los mayores problemas a la hora de utilizar catálogos de galaxias en cosmología, dado que impide cualquier medición de la amplitud de las inhomogeneidades de materia en estos catálogos, además de limitar severamente el rango de escalas que pueden ser utilizadas en su análisis. Para poder mitigar esta fuente de incertidumbre, es necesario combinar estos datos con observaciones, por ejemplo, del efecto de lente gravitacional. Dado que este efecto es causado por la densidad de materia total (y no sólo la de galáxias), comparar ambos observables nos permite medir directamente el bias. Si bien vimos, en el post mencionado arriba, que las observaciones del efecto de lente gravitacional pueden obtenerse a partir de las perturbaciones del fondo de radiación, también es posible observar este efecto a partir de la deformación que produce en las formas proyectadas de galaxias a alto redshift. En el artículo que hoy resumimos, la colaboración Dark Energy Survey (DES) trata de utilizar este tipo de observaciones.

Panel superior: campo de shear verdadero. Panel inferior: campo de shear reconstruido a partir de la densidad de galaxias. Figura obtenida de http://arxiv.org/abs/1601.00160v1

Deformación de galaxias

Dado que las trayectorias de los fotones emitidos por una galaxia lejana son perturbadas gravitacionalmente por cualquier estructura que encuentren en su camino, la forma observada de dicha galaxia es diferente de su forma intrínseca, y estas diferencias dependen de la distribución de materia existente entre el observador y la galaxia fuente. Por ejemplo un objeto muy masivo cercano a la línea de visión hará que una galaxia con forma intrínseca circular aparezca como un elipsoide orientado en la dirección perpendicular a la línea imaginaria que une ambos objetos. Este efecto se conoce como “efecto de cizalladura” o “cosmic shear“. Así, estimando de manera estadística la forma y orientación relativa de galaxias lejanas en distintas zonas del cielo podemos crear un mapa de la densidad proyectada de materia existente entre nosotros y estas galaxias. Teniendo ésto en mente, la idea detrás del método utilizado en el artículo de hoy se encuentra ilustrada en la figura de la izquierda, y es la siguiente: si el contraste de densidad de galaxias es proporcional al de materia, y éste último puede relacionarse con el efecto de shear, podemos intentar recostruir este campo de shear utilizando la densidad de galaxias observada. El shear obtenido de este modo (al que llamaremos “shear galáctico” aquí) deberá ser proporcional al shear verdadero, donde el factor de proporcionalidad es el bias galáctico antes mencionado. Así, estudiando la correlación entre el shear galáctico y el verdadero, y comparando el resultado con la auto-correlación del shear verdadero, podemos obtener una medición del factor de bias.

Medidas de DES

Medidas del bias obtenidas en el artículo (puntos negros) comparadas con dos análisis distintos (triángulos verdes y rojos).

En este artículo, los autores utilizan los datos de verificación de DES, correspondientes a aproximadamente 2 millones de galaxias distribuidas en una región de 116 grados cuadrados y en un intervalo de redshift de entre 0.2 y 1.4. Para determinar la evolución del bias con el redshift, los autores del paper han reconstruido la contribución al shear total de manera tomográfica, es decir, usando galaxias localizadas en distintos intervalos de redshift. Esto es posible en DES gracias a la técnica de redshifts fotométricos en la que se basa este catálogo. En total, el shear verdadero fue medido a partir de las formas de galaxias en 5 sub-intervalos de redshift de anchura Δz=0.2, y el shear galáctico fue reconstruido a partir de galaxias localizadas en 5 intervalos similares. Es importante mencionar que las mediciones del bias obtenidas con este método son sensibles a la distribución en redshift real de las galaxias utilizadas en la reconstrucción, y para calibrar esta dependencia se utilizaron datos de simulaciones cosmológicas. Las medidas finales del bias en función del redshift corresponden a los puntos negros de la figura de la derecha. Los resultados de este estudios se encuentran de acuerdo con las medidas realizadas anteriormente a partir de la función de correlación de galaxias (triángulos rojos), pero, curiosamente, se encuentran sistemáticamente por encima de las mediciones realizadas a partir del efecto de lente gravitacional del CMB que discutimos anteriormente (triángulos verdes). Los autores no han conseguido explicar esta discrepancia, aunque la significancia estadística de la misma tampoco está clara.

Este artículo es un ejemplo más del tipo de análisis novedosos que será posible llevar a cabo en un futuro no muy lejano con nuevos catálogos de galaxias a gran escala, como DES o LSST. Una medida rigurosa del bias galáctico es un paso indispensable para poder extraer la inmensa cantidad de información acerca del modelo cosmológico que estos experimentos pondrán a nuestra disposición.