Anisotropic galaxy clustering measurements in Fourier space and cosmological implications from the BOSS DR12 sample

Published: April 5, 2016, 11 a.m.

b'Moderne Rotverschiebungs-Galaxiendurchmusterungen k\\xf6nnen mittels Mehrfach-Faser-Spektroskopie gro\\xdfe Bereiche des Himmels abdecken. Dank der immer gr\\xf6\\xdfer werdenden Datens\\xe4tze hat sich die Analyse der gro\\xdfskaligen Galaxienverteilung im Universum zu einer unsch\\xe4tzbaren Wissensquelle f\\xfcr die Kosmologie entwickelt. Zusammen mit den Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (MWH) und Entfernungsbestimmungen anhand von gro\\xdfen Typ-Ia-Supernova-Datens\\xe4tzen (SN) bilden die Galaxiendurchmusterungen ausschlaggebende Indikatoren f\\xfcr die Korrektheit der Paradigmen des kosmologischen Weltbilds, des \\u039bCDM-Modells. Die Auswertung der Galaxienverteilung erlaubt mit Hilfe des Standardlineals, das durch die Baryonisch-akustischen Oszillationen gegeben ist, Entfernungsmessungen von ungesehener Pr\\xe4zision. Dies gew\\xe4hrt Einblick in die zugrundeliegende physikalische Natur der Dunklen Energie (DE), welche f\\xfcr die Beschleunigung der Ausdehung unseres Universums verantwortlich gemacht wird, indem die zeitliche Entwicklung der DE-Zustandsgleichung einge-\\nschr\\xe4nkt werden kann. Zudem kann aus dem Signal der Verzerrungen im Rotverschiebungsraum die Wachstumsrate von kosmologischer Struktur bestimmt werden. Dies stellt einen Test der Relativit\\xe4tstheorie dar, weil m\\xf6gliche erweiterte Gravitationstheorien abweichende Wachstumsraten vorhersagen k\\xf6nnen.\\n\\nDie abgeschlossenen Rotverschiebungsmessungen des \\u2018Baryon Acoustic Oscillation Survey\\u2019-Programms (kurz BOSS) brachten einen Galaxienkatalog hervor, der ein bisher unerreichtes Volumen abdeckt. In dieser Dissertation wird die kosmologische Information, die im r\\xe4umlichen Leistungsdichtespektrum (LDS) der Rotverschiebungsraum-Galaxienverteilung des BOSS-Katalogs enthalten ist, genutzt, um den Parameterraum des \\u039bCDM-Modells und der wichtigsten m\\xf6glichen Erweiterungen einzuschr\\xe4nken. Vorherige Analysen des anisotropen Galaxien-LDS waren auf die Messung der Multipolzerlegung beschr\\xe4nkt. F\\xfcr die hier pr\\xe4sentierte Analyse wurde das Konzept der sogenannten \\u2018Clustering Wedges\\u2019 auf den Fourierraum \\xfcbertragen, um einen komplement\\xe4ren Ansatz zur Vermessung des anisotropen LDS zu verfolgen. Dazu wird der varianzoptimierte Sch\\xe4tzer f\\xfcr LDS-Wedges definiert und an die Galaxiengewichtung, die unvermeidbare Beobachtungsfehler im BOSS-Katalog behebt, angepasst. Zudem wird auch der Formalismus zur Beschreibung der Fensterfunktion auf die Wedges erweitert.\\n\\nDas verwendete Modell f\\xfcr das anistrope Galaxien-LDS ist auf neuartigen Ans\\xe4tzen zur Modellierung der nichtlinearen Gravitationsdynamik und der Verzerrungen im Rotverschiebungsraum aufgebaut, welche die Genauigkeit der Modellvorhersagen speziell im \\xdcbergang in den nichtlinearen Bereich signifikant verbessern. Daher kann das LDS bis zu kleineren Skalen als in vorherigen Analysen ausgewertet werden, wodurch engere Einschr\\xe4nkungen des kosmologischen Parameterraums erreicht werden. Die Modellierung wurde mit Hilfe von synthetischen Katalogen, die auf gro\\xdfvolumigen Mehrk\\xf6rpersimulationen basieren, verifiziert. Dazu ist eine theoretische Vorhersage der Kovarianzmatrix der anisotropischen Vermessung der Galaxienverteilung n\\xf6tig, wof\\xfcr ein Gau\\xdfsches Vorhersagemodell entwickelt wurde. Dieses ist neben den Wedges auch f\\xfcr die komplement\\xe4re Multipolzerlegung sowohl des LDS als auch dessen Fouriertransformierten, der Zwei-Punkt-Korrelationsfunktion, anwendbar.\\n\\nDie LDS-Analyse anhand von Clustering Wedges, wie in dieser Arbeit pr\\xe4sentiert, ist Teil der kombinierten Analyse des finalen Galaxienkatalogs im Rahmen der BOSS-Kollaboration. Unter Verwendung von zwei sich nicht \\xfcberschneidenden Rotverschiebungsbereichen wird die Winkeldurchmesserentfernung zu D_M(z_eff = 0.38) (rfid_d / r_d) = 1525 +-24 h^-1 Mpc und D_M(z_eff = 0.61) (rfid_d / r_d) = 2281 +42 -43 h^-1 Mpc bestimmt. Weiterhin wird der Hubbleparameter zu H(z_eff = 0.38) (r_d / rfid_d) = 81.2 +2.2 \\u22122.3 km s^-1 Mpc^-1 und H(z_eff = 0.61) (r_d / rfid_d) = 94.9 +-2.5 km s^-1 Mpc^-1 vermessen (alle hier angegebenen Bereiche entsprechen einem Konfidenzintervall von 68%). Die\\nWachstumsrate wird eingeschr\\xe4nkt auf f\\u03c3_8 (z_eff = 0.38) = 0.498 +0.044 -0.045 und f\\u03c3_8 (z_eff = 0.61) = 0.409 +-0.040. Zusammen mit den Ergebnissen der komplement\\xe4ren Methoden, die innerhalb der BOSS-Kollaboration zur Clustering-Analyse des finalen Galaxienkatalogs eingesetzt werden, werden diese Resultate zu einem abschlie\\xdfenden Konsensergebnis zusammengefasst.\\n\\nNur mit den Clustering-Weges-Messungen im Fourierraum, kombiniert mit MWH- und SN-Daten, kann der Materiedichteparameter auf \\u03a9_M = 0.311 +0.009\\n-0.010 und die Hubble-Konstante auf H_0 = 67.6 +0.7 -0.6 km s^-1 Mpc^\\u22121 unter Annahme des \\u039bCDM-Modells eingeschr\\xe4nken werden. Wird ein Nichtstandard-Modell f\\xfcr DE angenommen, so ergibt sich ein DE-Zustandsgleichungsparameter von w_DE = 1.019 +0.048 -0.039. Modifikationen der Wachstumsrate, parametrisiert durch f(z) = [\\u03a9_M(z)]^\\u03b3, werden auf \\u03b3 = 0.52 +- 0.10 eingeschr\\xe4nkt. Diese beiden Messungen sind in perfekter \\xdcbereinstimmung mit den Vorhersagen des \\u039bCDM-Modells, ebenso wie weitere Ergebnisse, die sich unter der Annahme eines noch gro\\xdfz\\xfcgigeren DE-Modells (welches eine zeitliche Entwicklung von w_DE erlaubt) ergeben. Daher wird das \\u039bCDM-Modell durch die hier beschriebene Analyse weiter gefestigt.\\n\\nDie Summe der Neutrinomassen wird zu sum(m_\\u03bd) < 0.143 eV bestimmt. Dieses obere Limit befindet sich nicht weit entfernt von der unteren Schranke, die sich aus Teilchenphysik-Experimenten ergibt. Somit ist zu erwarten, dass die kosmologische Signatur, die massebehaftete Neutrinos in der gro\\xdfskaligen Struktur des Universums hinterlassen, in naher Zukunft detektiert werden kann.'