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Sandbox Physics
从宇宙膨胀走到天空推断

L3 · 第 7 章

沿着公开透镜数据读懂似然

功率谱上的观测点,要配上理论和误差模型,才能变成参数测量。打开 Qu 等人的 arXiv:2304.05202v3,第九节第一小节的式四十五,再看 ACT DR6 透镜 v1.2 公开产品。沿着一个振幅算下去,就能看清每一步添了什么假设。其余宇宙学参数在这里保持固定。

先认出哪些数是观测

微波背景光子经过引力场,方向会有微小偏折。这些偏折在相邻方向上彼此相关,可以用来重建会聚场。会聚描述附近光线朝一起靠拢的程度,是无量纲量。ACT DR6 把它的功率谱按多极矩分箱,也公开了各箱误差之间的协方差。

在 NASA LAMBDA 的 ACT_dr6_likelihood_v1.2.tgz 中,clkk_bandpowers_act.txt 存放带功率。从零开始编号,取第二行到第十一行;covmat_act_cmbmarg.txt 取相同的行和列。binning_matrix_act.txt 中对应的十个窗口覆盖四十至七百六十三阶多极矩。每个窗口把一段多极矩加权平均,图上的箱中心只是画点的位置。

这里选的是 ACT 单独测量、已对主微波背景不确定度做边缘化的协方差。遮罩、波束、滤波和重建偏置已经进入公开产品。浏览器直接拟合这些数。要查它们怎样得到,先看论文第五节第十一小节的协方差模拟,再看第九节第一小节的似然。

对应阅读:Qu et al. · NASA LAMBDA

先选定谱形,再谈振幅

参考谱采用产品附带的 cosmo2017_10K_acc3_lenspotentialCls.dat。第六列存放经过尺度化的透镜势功率谱,按公开软件的约定,乘以二倍圆周率再除以四,就得到会聚功率。接着用窗口矩阵分箱,得到十个参考值。算到这一步,功率均为无量纲量,不再另乘多极矩或角面积因子。

tb=∑LWbLCL,fidκκt_b=\sum_LW_{bL}C_{L,\mathrm{fid}}^{\kappa\kappa} 是分箱后的参考谱;模型预测 mb=Aκtbm_b=A_\kappa t_b。这里的 AκA_\kappa 只缩放固定会聚谱的功率。它和温度谱中改变峰平滑程度的现象学参数不同,也没有单独改变物质密度或暗能量状态方程。

论文图二十五以 Planck 2018 最佳拟合模型作参考,给出的振幅为一点零一三,误差为零点零二三。这里用了附带的 cosmo2017 参考谱,还固定了重建响应的宇宙学依赖。下面的数字回答的是这个条件问题。拿两者比较时,最该带上的信息就是参考谱和似然设置。

对应阅读:Qu et al. · NASA LAMBDA · Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters

相关的误差要一起算

似然回答:如果振幅取这个值,眼前这组观测有多容易出现?式四十五把带功率误差近似成高斯分布。相邻箱一起偏高,可能本来就是一种常见的相关起伏;完整协方差决定它该算多大的意外。

把十个观测记作 dd,公开协方差记作 CC,修正后的精度矩阵写成 P=hC−1P=hC^{-1}。论文用七百九十二次模拟估计协方差,保留十个箱时,Hartlap 因子为 h=780/791h=780/791。它修正有限模拟次数带来的逆协方差偏差。将振幅的二次式配方,就能直接读出最佳拟合与条件误差。

把冻结数组代入,振幅为零点九八四八四三,标准差为零点零二四九零四九,最小卡方为十三点六八六五。固定这个谱形,只拟合一个振幅,十个箱留下九个残差维度。Cholesky 求解和独立 NumPy 求解得到相同结果。若只保留协方差对角元,同一批偏差会被重新分配权重,拟合也随之改变。

−2log⁡L=(d−Aκt)TP(d−Aκt)+constant,h=Ns−nb−2Ns−1=780791-2\log\mathcal L=(d-A_\kappa t)^\mathsf TP(d-A_\kappa t)+\mathrm{constant},\qquad h=\frac{N_s-n_b-2}{N_s-1}=\frac{780}{791}
模拟次数为七百九十二,保留箱数为十;常数项不随振幅变化。
A^κ=tTPdtTPt,σA2=1tTPt\widehat A_\kappa=\frac{t^\mathsf TPd}{t^\mathsf TPt},\qquad\sigma_A^2=\frac1{t^\mathsf TPt}
完整矩阵同时给观测和参考谱加权。这个误差以谱形和重建响应固定为条件。

对应阅读:Qu et al. · NASA LAMBDA

把响应的不确定度积分掉

假设响应还有一个额外偏移,改变预测的方式恰好与信号振幅相同。给它一个均值为零的高斯分布,再把可能的偏移积分掉,这就叫边缘化。现在数据中的一部分起伏,也可能来自响应。

模型写成 d=(Aκ+g)t+ϵd=(A_\kappa+g)t+\epsilon,其中 g∼N(0,sg2)g\sim\mathcal N(0,s_g^2),ϵ∼N(0,C/h)\epsilon\sim\mathcal N(0,C/h),两者独立。积分后,有效协方差是 Σ=C/h+sg2ttT\Sigma=C/h+s_g^2tt^\mathsf T。新增项沿着振幅所改变的同一个方向,因此拟合中心不动,振幅方差增加 sg2s_g^2。

例如,把额外响应标准差设成零点零八,振幅误差就从约零点零二四九增至零点零八三八。这个额外响应是教学假设,默认取零。ACT 已发表的不确定度已经在原协方差中;这里新增一项,是为了看清完全退化的干扰参数怎样拓宽误差。

对应阅读:Qu et al. · NASA LAMBDA

参数估计和模型证据为什么分开变化

均匀先验在选定区间内给相同的概率密度,区间外取零。它乘上似然,再归一化,就得到后验。如果先验远比似然峰宽,继续放宽时,后验中心和区间几乎不动。证据却会变,因为它要在整个归一化先验上平均似然。

比较振幅自由的模型与振幅固定为一的模型。把先验半宽从零点二五放到零点八,对数证据比约下降一点一六,后验几乎原样保留。新纳入的振幅多数拟合较差,拉低了平均值。若把窄先验放在似然峰旁边,后验还会被先验边缘截住;那条区间就同时反映了观测与所选假设。

下次读另一份数据,先记下谱的定义、保留窗口、完整协方差、模拟修正和固定理论,再写清归一化先验与比较的两个模型。这几项齐全,别人才能重算那个振幅。天空重映射示意图用合成场解释偏折,ACT 实测点则单独留在数据图中。

π(Aκ)=12ΔA  inside the prior,Zfree=12ΔA∫a−ΔAa+ΔAL(Aκ) dAκ,B=ZfreeL(1)\pi(A_\kappa)=\frac1{2\Delta A}\;\text{inside the prior},\qquad Z_{\mathrm{free}}=\frac1{2\Delta A}\int_{a-\Delta A}^{a+\Delta A}\mathcal L(A_\kappa)\,dA_\kappa,\qquad B=\frac{Z_{\mathrm{free}}}{\mathcal L(1)}
先验中心为 aa,半宽为 ΔA\Delta A;两种模型使用相同的响应不确定度先验和协方差。

对应阅读:Qu et al. · NASA LAMBDA

动手检验预测

让观测谱保持不动

  1. 比较“数据决定宽度”和“先验放得更宽”,一起看后验区间与对数证据比。
  2. 选“响应也不确定”,展开模型说明,增大额外振幅不确定度,和方差相加的例题比较。
  3. 导出计算,先找出观测、参考谱、协方差、先验和来源校验值,再改动设置。

练习与解释性答案

  1. 振幅的条件误差为零点零二四九,再加入标准差零点零八、与振幅完全退化的独立高斯响应偏移,误差变成多少?

    展开解释

    方差相加,得到 0.02492+0.082≃0.0838\sqrt{0.0249^2+0.08^2}\simeq0.0838。偏移均值为零,改变数据的方向又与振幅相同,拟合中心保持原值。

  2. 宽均匀先验的半宽从零点二五增至零点八,两个区间都装得下几乎全部似然。对数证据怎样变?

    展开解释

    似然积分几乎不变,先验密度变成原来的三点二分之一,对数证据下降 log⁡(3.2)≃1.16\log(3.2)\simeq1.16。后验重新归一化后,形状几乎照旧。

  3. 为什么不能把这里的零点九八四八四三,标成对论文图二十五 Planck 参考结果的数值复现?

    展开解释

    这里采用产品附带的 cosmo2017 参考谱,并固定重建响应。图二十五的 Planck 参考结果采用另一条固定谱和合作组的分析设置。振幅要连着参考谱和似然条件一起读。

来源与计算范围

  1. Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters, arXiv:1807.06209v4 (2021)

    第 2.2—2.3 节说明数据似然,第 3.1 节解释声学尺度;第 6.2 节与第 7.3—7.5 节分别讨论透镜平滑、曲率、暗能量和相对论粒子。论文发表于 A&A 641, A6(2020),这里固定带勘误的 v4。本课程不复现完整 Planck 似然或参数链。

  2. Qu et al., The Atacama Cosmology Telescope: A Measurement of the DR6 CMB Lensing Power Spectrum and Its Implications for Structure Growth, arXiv:2304.05202v3

    第 VIII.2 节与图 25 讨论固定模板的透镜振幅;第 IX.1 节式 (45) 给出高斯带功率似然。实验取公开带功率与协方差计算固定模板振幅切片,模板与省略项在模型文档中逐项说明。

  3. NASA LAMBDA, ACT DR6 lensing likelihood data

    冻结的 ACT DR6 公开透镜产品。数据清单记录版本、原文件名、分箱、模板、协方差、校验值与引用要求。实验额外加入的定标不确定度是明确选择的教学扩展。

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