Measuring cosmic expansion and growth with the Lyman-alpha forest in DESI

Resum

Des de principis dels anys 2000, els estudis cosmològics terrestres i espacials han produït mapes 3D cada cop més detallats de galàxies per estudiar el contingut energètic i la història d'expansió de l'Univers. Les mesures de clúster de galàxies a l'Univers tardà revelen signatures d'oscil·lacions acústiques bariòniques (BAO), és a dir, fluctuacions en la matèria causades per ones sonores que es propaguen a través del plasma previ a la recombinació. La distància màxima recorreguda per aquestes ones durant la recombinació defineix l'horitzó sonor (\(r_d\)), que es manifesta com un pic en la funció de correlació de galàxies. En mesurar aquesta escala a través dels desplaçaments cap al vermell, estudis com el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) restringeixen la història d'expansió i investiguen la naturalesa de l'energia fosca. Cap a la mateixa època, el bosc de Lyman-\(\alpha\) (Ly$\alpha$) va emergir com a traçador del camp de densitat de la matèria. Aquestes són una sèrie de línies d'absorció en els espectres dels quàsars \footnote{Aquestes també són visibles a les galàxies, però fins ara s'han observat principalment en quàsars.}, que es formen quan la llum d'aquests objectes a la longitud d'ona Ly$\alpha$ ($\sim1216$\,\AA), és absorbida per hidrogen neutre al Medi Intergalàctic (IGM). Com que els quàsars són objectes relativament brillants, el bosc Ly$\alpha$ es pot mesurar amb un desplaçament cap al vermell relativament alt ($z\sim2-4$), cosa que fa que les mesures de BAO siguin extremadament complementàries a les mesures de galàxies amb desplaçament cap al vermell més baix. Al capítol 5, presento les primeres mesures de clústering al bosc Ly$\alpha$ a partir de dades primerenques de DESI, comparant-les amb mesures anteriors de l'Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), el punt de referència anterior. També discutim qualsevol canvi en les tècniques d'anàlisi i processament de dades que hagin millorat respecte a eBOSS. Més enllà de BAO, la informació cosmològica resideix en la forma completa de la galàxia i les funcions de correlació Ly$\alpha$. Aquestes anàlisis poden utilitzar les distorsions espacials de desplaçament cap al vermell (RSD), la deformació de l'agrupació a l'espai de desplaçament cap al vermell a causa de moviments peculiars dels traçadors, o l'efecte Alcock-Paczyński (AP), que mesura les anisotropies en l'agrupació. El primer també es pot utilitzar per mesurar el creixement còsmic, ja que els moviments peculiars en són una conseqüència directa. Si bé les mesures de forma completa milloren el nostre poder de restricció cosmològica, també són més sensibles a la sistemàtica. Al capítol 6, presento un treball que aborda l'efecte d'un d'aquests errors sistemàtics: el desplaçament cap al vermell dels quàsars. Utilitzant conjunts de dades sintètiques de l'estudi DESI, creem i apliquem un nou model d'aquest efecte als nostres mesuraments de forma completa, que mostrem que eliminen el biaix d'un conjunt clau de paràmetres utilitzats per a la inferència cosmològica. Un cop finalitzat l'estudi DESI, el succeirà DESI-II. Això es basarà en l'estudi DESI, observant un nombre més gran de galàxies i quàsars, a una profunditat encara més gran (en una petjada parcialment superposada). Això inclou un estudi d'alt desplaçament cap al vermell fins a $z\sim4$, que augmentarà la densitat objectiu de quàsars de 60 a 100 \,$\mathrm{deg}^{-2}$ (respecte a DESI), i observarà dos nous tipus de traçadors: galàxies de ruptura de Lyman (LBG) i emissors de Lyman-$\alpha$ (LAE). Ambdós tipus de galàxies s'observaran fins a una alta densitat, $\sim1000\, \mathrm{deg^{-2}}$, i els LBG a més contenen boscos visibles de Ly$\alpha$ que es poden utilitzar per a la cosmologia. Al capítol 7, detallo un conjunt de previsions DESI-II, que emulen les condicions i la selecció d'objectius de l'estudi.

Data del Ajut	19 de set. 2025
Idioma original	Anglès
Supervisor	Andreu Font Ribera (Director/a)