Mitigazione delle sistematiche moltiplicative ed additive delle lenti gravitazionali deboli tramite analisi a tutto spettro​

Light from all astrophysical sources travels through under- and over-dense regions of the Universe to reach us. Matter inhomogeneities perturb the null geodesic -the so-called gravitational lensing- and image distortions encode information about the gravitational field along the line of sight. Several important studies in Cosmology are focused on the weak lensing regime: as long as distortions are small, magnification and shear two-point statistics are related to the matter power spectrum, and thus to cosmological parameters [Munshi+PhysRept462(2008)71]. Cosmic shear signal is revealing itself as an excellent probe of cosmology, as it has been seen in recent experiments like DES or CFHTlenS. Future shear surveys like Euclid and the SKA promise to tight even more the constraints on cosmological parameters. The instrumental uncertainties are now dropping lower than the systematics, both experimental and intrinsic, and more care is needed to overcome these sources of bias. Cosmic shear is based on measuring ellipticities of galaxy images. The ellipticity of a galaxy population probes the power spectrum: assuming uncorrelated shapes and sufficient number counts, any deviation from null mean is directly related to the lensing effect. This is an approximation, several spurious contaminations may arise, for example from intrinsic alignments of nearby galaxies (IAs), non-linear perturbation evolution, badly deconvoluted point spread functions and more. Future experiments will improve in galaxies number count, survey depth and redshift uncertainties so that systematics will become the dominant source of 1error in parameters estimation [Harrison+MNRAS463(2016)3674]. One way to reduce the impact of systematics is to use cross-experiment correlation. In the two point functions every term that is not correlated between experiments, for example an additive spurious term due to miscalibration, will be statistically suppressed [Camera+MNRAS464(2017)4747]. Many spurious terms of other nature will not be suppressed and will still contribute to the observed signal. It is possible to take into account the remaining noises introducing nuisance parameters along with cosmological parameters, but this induces degeneration between the two groups. To answer the loss of constraining power I propose a new method that pushes further the cross-experiment analysis. Core of the approach is to use all the information avaliable from different shear surveys that share a sky fraction. The full covariance matrix, cohomprensive of auto-correlation and cross-correlation variance, is a more powerful tool than the sum of its parts and combining three different observables for the same signal breaks the degeneracy. Dedicated cosmological software, CosmoSIS [Zunt+A&C,2015,12], is used to demonstrate the costraining power improvement. First data from two shear surveys is simulated as a tomographic angular spectrum, using a set of cosmological parameters and the expected features of Euclid and the SKA. Shear spectrum is here biased by different noises and the cosmological parameters space is then explored with a multi-nested sampler, MultiNest [Feroz+MNRAS398(2009)1601], in case of auto-correlation, cross-correlation or full-spectrum. Results have been found in case of multiplicative bias and additive bias with a significant decrease of bias and confidence area for full-spectrum, defined by figure of merit (FoM) and figure of bias (FoB) [Osato+(2019)PhysRevD.99.063530]​

La luce emessa dagli oggetti astrofisici attraversa zone di maggiore e minore densità di materia. La non omogenea distribuzione di massa altera le geodetiche seguite dalla luce (lente gravitazionale) e le distorsioni nell'immagine codificano informazioni sul campo gravitazionale attraversato. Importanti studi nell'ambito della cosmologia si concentrano sul regime di lente debole: finchè gli effetti sono piccoli le proprietà del campo di distorsione e magnificazione sono legate allo spettro di potenza della materia, e quindi ai parametri cosmologici [Munshi+PhysRept462(2008)71]. Il segnale distorsivo, detto Cosmic Shear, si sta rivelando un'eccellente sonda cosmologica, come si è visto in esperimenti recenti quali DES o CFHTlenS. Esperimenti futuri come Euclid o SKA promettono di stringere ancora di più i vincoli cosmologici. Le incertezze strumentali diventeranno trascurabili rispetto agli errori sistematici ed è necessaria quindi una maggiore cura per evitare bias nell'analisi. La misura del Cosmic Shear sfrutta le immagini delle galassie: supponendo di osservarne un numero sufficiente e che gli orientamenti siano scorrelati, la deviazione della media dell'ellitticità da un valore nullo è imputabile al segnale distorsivo. Diversi tipi di segnali spuri possono però contribuire come allineamenti intrinseci (IAs), evoluzioni non lineari delle perturbazioni, errori nella deconvoluzione della PSF e molti altri. Gli esperimenti futuri promettono un significativo incremento nel numero di galassie osservate, facendo così crollare l'incertezza statistica e rendendo dominanti queste ultime fonti di errore [Harrison+MNRAS463(2016)3674]. Un modo di mitigare l'effetto di sistematiche è la cross-correlazione tra esperimenti: nella funzione a due punti qualsiasi contributo non correlato verrà statisticamente soppresso [Camera+MNRAS464(2017)4747]. Molti contributi spuri di altra natura non saranno però soppressi, è possibile tenere in considerazione i rumori residui introducendo parametri aggiuntivi, nuisance parameters, da trattare alla stregua dei parametri cosmologici ma questo induce degenerazioni. Per rispondere alla diminuzione di precisione nel mio progetto di Tesi propongo un nuovo metodo che superi i limiti dell'analisi cross-correlata. Il punto fondamentale è usare tutta l'informazione disponibile da due diversi esperimenti che condividano una frazione di cielo. La matrice di covarianza completa, comprensiva delle parti di auto e cross-correlazione, è uno strumento più potente della somma delle sue parti e il combinare tre diverse osservabili per lo stesso segnale rompe la degenerazione. Il software cosmologico dedicato, CosmoSIS [Zunt+A&C,2015,12], è qui usato per dimostrare l'aumento di potere vincolante. In primo luogo l'insieme di dati da due diversi esperimenti di shear è stato simulato come uno spettro angolare tomografico, usando un insieme di parametri cosmologici e le specifiche attese per Euclid e SKA come riferimento. Sono stati aggiunti rumori diversi allo spettro e lo spazio dei parametri è stato quindi esplorato con un multi-nested sampler, MultiNest [Feroz+MNRAS398(2009)1601], nei casi di auto-correlazione, cross-correlazione e full-spectrum. È stato trovato riscontro per l'atteso incremento del potere vincolante nel caso di analisi full-spectrum per bias moltiplicativi ed additivi, la maggiore precisione è stata quantificata in termini di figura di merito (FoM) e figura di bias (FoB) [Osato+(2019)PhysRevD.99.063530]​