Ellipticity correlations between galaxies, reconstructions of the cosmic density field, tidal shear correlations in the cosmic structure
Final Report Abstract
Thema des Projekts war die Frage, auf welche Weise sich Galaxien in dem Gezeitenfeld der kosmischen großskaligen Struktur ausrichten. Die Motivation für diese Frage begründet sich auf zwei Tatsachen: Erstens ist es bislang unklar, welche Mechanismen für die Ausrichtung von Galaxien verantwortlich sind und welche Galaxientypen welchen Mechanismus unterliegen. Zweitens rufen Ausrichtungen von Galaxien Korrelationen in den Formen von Nachbargalaxien hervor, die eine wichtige Kontamination in Messungen des schwachen kosmischen Gravitationslinseneffekts darstellen. In dem Projekt haben wir versucht, sogenannte quadratische Alignment-Modelle auf deren beobachtbare Konsequenzen zu untersuchen. In diesen Modellen, die auf Spiralgalaxien anwendbar sind, wird die Ausrichtung der Galaxie in ihrer Entstehung durch eine Ausrichtung ihres Drehimpulses mit dem kosmischen Gezeitenfeld verursacht. Aus dem Projekt folgten zwei wesentliche Ergebnisse: In einer analytischen Rechnung konnten wir bestimmen, wie Korrelationen in den Formen der Galaxien aus dem Modell folgt, das die Ausrichtung der Galaxien mit der kosmischen Struktur beschreibt. Wir konnten damit beschreiben, wie Spektren des kosmischen Gravitationslinseneffekt durch diese sogenannten intrinischen Elliptizitatskorrelationen kontaminiert werden und konnten in einem nächsten Schritt bestimmen, wie groß die daraus folgenden systematischen Fehler in der Bestimmung kosmologischer Parameter ist. Die Frage, ob aus einer Beobachtung der Galaxienformen umgekehrt eine Bestimmung der Gezeitenfelder möglich ist, ließ sich nicht beantworten: Wir haben einen Code zur Simulation der Ausrichtung der Galaxien in der kosmischen Stuktur geschrieben, in dem sich die Stärke der Ausrichtung variieren laßt und haben in simulierten Daten Korrelationen gemessen, die in ihrer Amplitude und Skalenverhalten perfekt zu unseren analytischen Rechnungen passten. Eine Rekonstruktion des Dichtefelds auf der Basis der ausgerichteten Galaxien schlug leider fehl: Das Invertierungsproblem ist numerisch sehr instabil und funktioniert nicht selbst bei sehr stark ausgerichteten Galaxien. Das Projekt überraschte uns einmal sehr positiv und einmal (leider) negativ: Die analytischen Rechnungen waren technisch schwierig, aber es war möglich, die Spektren der intrinsischen Korrelationen mit nur einem freien Parameter zu berechnen. Sie zeigten einen Verlauf, der die Spektren des schwachen kosmischen Linseneffekts auf Skalen unterhalb eines Grads kontaminiert und die Schätzung kosmologischer Parameter um bis zu 2 statistische Standardabweichungen beeinflusst. Wir haben ausgehend von diesem Ergebnis uns mit einer weiterführenden Frage beschäftigt, nämlich wie stark diese Kontamination in anderen Statistiken erscheint. Dabei konnten wir in einer analytischen Rechnung bestätigen, dass die Kontamination der 3-Punkt-Korrelationsfunktion wesentlich stärker ist verglichen mit der des Spektrums, ein Ergebnis, das aus numerischen Simulationen schon bekannt war und das wir für alle Konfigurationen bestätigen konnten. Die negative Überraschung waren die nicht zu bewältigenden numerischen Schwierigkeiten in der Rekonstruktion des kosmischen Dichtefelds aus den Formen der in der kosmischen Struktur ausgerichteten Galaxien. Die Ausrichtungen sind zu schwach als dass eine Inversion möglich ware, selbst mit sehr fortgeschrittenen Rekonstruktionsalgorithmen. Aus beiden Teilprojekten hat meine Gruppe wertvolle Impulse für weitere Arbeiten gewonnen: Eine Verallgemeinerung der intrinsischen Elliptizitatskorrelationen auf tomographische Durchmusterungen ist fast abgeschlossen und wir wollen außer den bislang untersuchten quadratischen Alignments auch lineare Alignment-Modelle verwenden, die die Ausrichtung von elliptischen Galaxien beschreiben.
Publications
- Parameter likelihood of intrinsic ellipticity correlations. MNRAS
F. Capranico, Ph.M. Merkel, B.M. Schäfer
- Intrinsic alignments and 3d weak gravitational lensing. MNRAS 434, 1808-1820 (2013)
Ph.M. Merkel, B.M. Schäfer
(See online at https://doi.org/10.1093/mnras/stt1151)
