Test del modello cosmologico attraverso la traccia delle BAO in espansione armonica

Abstract

Questo lavoro è svolto nel contesto di Euclid, una missione ESA con lancio previsto nel 2023. Euclid eseguirà uno dei più grandi survey galattici e porrà forti restrizioni su svariati parametri cosmologici. Permetterà inoltre di eseguire test sulla Relatività Generale e sulla natura dell’energia oscura. Un’osservabile che permetterà di raggiungere questi scopi è la traccia delle Oscillazioni Barioniche Acustiche (BAO). In tempi iniziali l’Universo era un plasma di barioni e fotoni. In questo plasma vennero a crearsi regioni a maggior densità di materia, ma la crescita di queste perturbazioni fu contrastata dalla pressione di radiazione dei fotoni. Questo portò alla formazione di gusci di barioni oscillanti simili a onde sonore, e queste BAO rimasero impresse nella distribuzione di materia dopo che l’Universo si raffreddò abbastanza da disaccoppiare fotoni e barioni. La traccia delle BAO è robusta a effetti non lineari e ha distanza comovente nota, ed è perciò una forte osservabile nei test cosmologici. Questa traccia si mostra come un rilievo nella funzione di correlazione delle galassie a circa 105 h^{-1} Mpc ed è tipicamente studiata attraverso lo spettro di potenza spettroscopico, che è la trasformata di Fourier della funzione di correlazione. Il campione spettroscopico di Euclid, però, sarà molto più piccolo di quello fotometrico, e ciò causa errori statistici e shot noise maggiori. Questa tesi presenta uno studio della funzione di correlazione attraverso la sua espansione armonica, usando lo spettro di potenza angolare. Un modello teorico per gli spettri angolari è sviluppato e testato fittandolo a dati sintetici usando metodi MonteCarlo. La cosmologia fiduciale usata nel modello è testata attraverso il parametro di shift, definito come il rapporto tra la dimensione angolare effettiva del campione divisa per l’orizzonte sonoro, e la stessa quantità calcolata nel caso fiduciale; il risultato del fit determina se suddetta cosmologia corrisponde a quella misurata.

This work is done within the context of Euclid, an ESA medium class mission with launch foreseen in 2023. Euclid will perform one of the largest galaxy surveys and will place strong constraints on many cosmological parameters. Furthermore, it will allow tests of general relativity and the nature of dark energy. An observable that will help reach these goals is the Baryonic Acoustic Oscillations (BAO). At early times the Universe was a plasma of freely interacting baryons and photons. Inside this plasma, gravity would attract matter into overdense regions of space, but the growth of these perturbations would be counteracted by the photons' radiation pressure. This led to the formation of shells of baryons oscillating like sound waves, and these BAO were left imprinted on the matter distribution after the Universe grew cold enough for the photons to decouple from the baryons. The BAO trace is robust to nonlinear effects and has a known comoving size, and is therefore a strong observable to use for cosmological tests. This trace shows itself as a bump in the galaxy correlation function at about 105 h^{-1} Mpc and it is usually studied through the spectroscopic power spectrum, which is the Fourier transform of the correlation function. However, Euclid's spectroscopic galaxy sample will be much smaller than the photometric one, leading to increased shot noise and statistical errors. This thesis presents a study of the correlation function through its harmonic expansion, using the angular power spectrum. A theoretical template for the angular spectra is developed and validated by fitting it to synthetic data using Monte Carlo methods. The fiducial cosmology used in the template is tested through the shift parameter, defined as the ratio between the effective angular diameter distance of the sample divided by the sound horizon, and the same thing calculated in the fiducial case; its best fit value determines whether said cosmology corresponds to the measured one.