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

Moderne Rotverschiebungs-Galaxiendurchmusterungen können mittels
Mehrfach-Faser-Spektroskopie große Bereiche des Himmels abdecken.
Dank der immer größer werdenden Datensätze hat sich die Analyse der
großskaligen Galaxienverteilung im Universum zu einer unschätzbaren
Wissensquelle für die Kosmologie entwickelt. Zusammen mit den
Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (MWH) und
Entfernungsbestimmungen anhand von großen
Typ-Ia-Supernova-Datensätzen (SN) bilden die
Galaxiendurchmusterungen ausschlaggebende Indikatoren für die
Korrektheit der Paradigmen des kosmologischen Weltbilds, des
ΛCDM-Modells. Die Auswertung der Galaxienverteilung erlaubt mit
Hilfe des Standardlineals, das durch die Baryonisch-akustischen
Oszillationen gegeben ist, Entfernungsmessungen von ungesehener
Präzision. Dies gewährt Einblick in die zugrundeliegende
physikalische Natur der Dunklen Energie (DE), welche für die
Beschleunigung der Ausdehung unseres Universums verantwortlich
gemacht wird, indem die zeitliche Entwicklung der
DE-Zustandsgleichung einge- schränkt werden kann. Zudem kann aus
dem Signal der Verzerrungen im Rotverschiebungsraum die
Wachstumsrate von kosmologischer Struktur bestimmt werden. Dies
stellt einen Test der Relativitätstheorie dar, weil mögliche
erweiterte Gravitationstheorien abweichende Wachstumsraten
vorhersagen können. Die abgeschlossenen Rotverschiebungsmessungen
des ‘Baryon Acoustic Oscillation Survey’-Programms (kurz BOSS)
brachten einen Galaxienkatalog hervor, der ein bisher unerreichtes
Volumen abdeckt. In dieser Dissertation wird die kosmologische
Information, die im räumlichen Leistungsdichtespektrum (LDS) der
Rotverschiebungsraum-Galaxienverteilung des BOSS-Katalogs enthalten
ist, genutzt, um den Parameterraum des ΛCDM-Modells und der
wichtigsten möglichen Erweiterungen einzuschränken. Vorherige
Analysen des anisotropen Galaxien-LDS waren auf die Messung der
Multipolzerlegung beschränkt. Für die hier präsentierte Analyse
wurde das Konzept der sogenannten ‘Clustering Wedges’ auf den
Fourierraum übertragen, um einen komplementären Ansatz zur
Vermessung des anisotropen LDS zu verfolgen. Dazu wird der
varianzoptimierte Schätzer für 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. Das
verwendete Modell für das anistrope Galaxien-LDS ist auf neuartigen
Ansätzen zur Modellierung der nichtlinearen Gravitationsdynamik und
der Verzerrungen im Rotverschiebungsraum aufgebaut, welche die
Genauigkeit der Modellvorhersagen speziell im Übergang in den
nichtlinearen Bereich signifikant verbessern. Daher kann das LDS
bis zu kleineren Skalen als in vorherigen Analysen ausgewertet
werden, wodurch engere Einschränkungen des kosmologischen
Parameterraums erreicht werden. Die Modellierung wurde mit Hilfe
von synthetischen Katalogen, die auf großvolumigen
Mehrkörpersimulationen basieren, verifiziert. Dazu ist eine
theoretische Vorhersage der Kovarianzmatrix der anisotropischen
Vermessung der Galaxienverteilung nötig, wofür ein Gaußsches
Vorhersagemodell entwickelt wurde. Dieses ist neben den Wedges auch
für die komplementäre Multipolzerlegung sowohl des LDS als auch
dessen Fouriertransformierten, der Zwei-Punkt-Korrelationsfunktion,
anwendbar. Die LDS-Analyse anhand von Clustering Wedges, wie in
dieser Arbeit präsentiert, ist Teil der kombinierten Analyse des
finalen Galaxienkatalogs im Rahmen der BOSS-Kollaboration. Unter
Verwendung von zwei sich nicht überschneidenden
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 −2.3 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 Wachstumsrate
wird eingeschränkt auf fσ_8 (z_eff = 0.38) = 0.498 +0.044 -0.045
und fσ_8 (z_eff = 0.61) = 0.409 +-0.040. Zusammen mit den
Ergebnissen der komplementären Methoden, die innerhalb der
BOSS-Kollaboration zur Clustering-Analyse des finalen
Galaxienkatalogs eingesetzt werden, werden diese Resultate zu einem
abschließenden Konsensergebnis zusammengefasst. Nur mit den
Clustering-Weges-Messungen im Fourierraum, kombiniert mit MWH- und
SN-Daten, kann der Materiedichteparameter auf Ω_M = 0.311 +0.009
-0.010 und die Hubble-Konstante auf H_0 = 67.6 +0.7 -0.6 km s^-1
Mpc^−1 unter Annahme des ΛCDM-Modells eingeschränken werden. Wird
ein Nichtstandard-Modell für DE angenommen, so ergibt sich ein
DE-Zustandsgleichungsparameter von w_DE = 1.019 +0.048 -0.039.
Modifikationen der Wachstumsrate, parametrisiert durch f(z) =
[Ω_M(z)]^γ, werden auf γ = 0.52 +- 0.10 eingeschränkt. Diese beiden
Messungen sind in perfekter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des
ΛCDM-Modells, ebenso wie weitere Ergebnisse, die sich unter der
Annahme eines noch großzügigeren DE-Modells (welches eine zeitliche
Entwicklung von w_DE erlaubt) ergeben. Daher wird das ΛCDM-Modell
durch die hier beschriebene Analyse weiter gefestigt. Die Summe der
Neutrinomassen wird zu sum(m_ν) < 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 großskaligen Struktur des
Universums hinterlassen, in naher Zukunft detektiert werden kann.