Producing simulated catalogues for next generation galaxy surveys

Abstract

Els actuals i propers cartografiats de galàxies permetran escodrinyar l’estructura a gran escala de l’Univers amb un detall sense precedent i mesurar paràmetres cosmològics amb una gran precisó. Per tal de desenvolupar els casos científics i els algoritmes d’anàlisi, cal modelitzar acuradament l’evolució gravitatòria no lineal. Aquesta tesi presenta una metodologia per produir catàlegs simulats acuradament, molt més ràpid que els mètodes convencionals (2-3 ordres de magnitud) i amb una geometria observacional realista. Primer, presentem l’optimització d’un mètode de semi N-cossos en el compromís entre precisió i cost computacional. Estudiem com variacions en l’espai intern de paràmetres del codi tenen un impacte en la precisió en observables com l’abundància i distribució d’halos de matèria fosca i la distribució de matèria. Proposem configuracions òptimes de paràmetres per aconseguir una alta precisió al comparar amb simulacions de N-cossos exactes i explorem diferents tècniques de cal·libració per ajustar encara millor el darrer. El següent pas és imitar la geometria de les observacions astrofísiques reals, en les quals objectes distants es veuen en el con de llum passat. Presentem ICE-COLA, un codi de simulacions desenvolupat en aquesta tesi que implementa la producció de catàlegs en el con de llum sobre la marxa. L’usuari pot generar tres tipus diferents de dades. El primer conté tota la informació mentre que els altres guarden catàlegs d’alt nivell preparats per ser usats per modelar cartografiats de galàxies. Això permet grans factors de compressió d’uns dos ordres de magnitud en el volum de dades a guardar. En concret, el codi pot generar catàlegs d’halos en el con de llum i mapes de densitat de matèria projectats en dues dimensions en capes esfèriques concèntriques al voltant de l’observador. Hem produït grans simulacions de cons de llum amb el nou mètode desenvolupat i mostrem la validació dels catàlegs. En particular, modelem per primera vegada l’efecte gravitacional dèbil amb un mètode aproximat i mostrem que podem resoldre la majoria de les escales escanejades pels actuals experiments de lent gravitacional dèbil. Finalment, extenem els resultats a catàlegs simulats d’halos amb l’efecte inclòs de lent gravitacional, el qual representa un primer èxit en la capacitat de modelitzar la distribució de galàxies amb observables de lent dèbil de manera consistent en una simulació ràpida.

Current and future galaxy surveys will be able to map the large-scale structure of the Universe with unprecedented detail and measure cosmological parameters with exquisite precision. In order to develop the science cases and the analysis pipelines, it is necessary an accurate modelling of the non-linear gravitational evolution. This thesis presents a methodology for producing accurate mock catalogues, much faster than conventional methods (2-3 orders of magnitude) and with a realistic observational geometry. First, we present the optimization of a quasi N-body method in the compromise between accuracy and computational cost. We studied how variations in the code parameter space have and impact on the accuracy of observables such as the halo abundance and distribution and matter clustering. We propose optimal parameter configurations for achieving high accuracy as compared to exact N-body simulations and we explore different calibration techniques to match even better the latter. The next step is mimicking the geometry of real astrophysical observations, in which distant objects are seen in the past light cone. We introduce ICE-COLA, a simulation code developed for this thesis that implements the production of light cone catalogues on-the-fly. The user can generate three different kinds of data types. The first contains all the information while the others store high-level data catalogues ready to use to model galaxy surveys. This enables large compression factors of ∼ 2 orders of magnitude of the volume of data to be stored. In particular, the code can generate halo catalogues in the light cone and two-dimensional projected matter density maps in spherical concentric shells around the observer. We produce large light cone simulations with the new method developed and we show the validation of the catalogues. In particular, we model for the first time weak gravitational lensing with an approximate method and we show that we can resolve most of the scales probed by current lensing experiments. Finally we extend the results to halo mock catalogues with weak lensing quantities, which represents the first success in the ability of modelling galaxy clustering and weak lensing observables consistently in a fast simulation.