A nagy skálás szerkezet statisztikus leírása

Hasonló dokumentumok
Kozmológiai n-test-szimulációk

Galaxisfelmérések: az Univerzum térképei. Bevezetés a csillagászatba május 12.

Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék április 28.

Galaxishalmazok. Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék március 17.

Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék április 28.

Nemzetközi Csillagászati és Asztrofizikai Diákolimpia Szakkör Távcsövek és kozmológia Megoldások

Csillagok parallaxisa

Az univerzum szerkezete

Nagy számok törvényei Statisztikai mintavétel Várható érték becslése. Dr. Berta Miklós Fizika és Kémia Tanszék Széchenyi István Egyetem

Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék március 3.

Spektrográf elvi felépítése. B: maszk. A: távcső. Ø maszk. Rés Itt lencse, de általában komplex tükörrendszer

Pelletek térfogatának meghatározása Bayes-i analízissel

Csillagászati észlelés gyakorlat I. 2. óra: Távolságmérés

Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék április 28.

Statisztika - bevezetés Méréselmélet PE MIK MI_BSc VI_BSc 1

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 5-7. ea ősz

Pontműveletek. Sergyán Szabolcs Óbudai Egyetem Neumann János Informatikai Kar február 20.

Aktív magvú galaxisok és kvazárok

Véletlen jelenség: okok rendszere hozza létre - nem ismerhetjük mind, ezért sztochasztikus.

biometria II. foglalkozás előadó: Prof. Dr. Rajkó Róbert Matematikai-statisztikai adatfeldolgozás

Valószínűségszámítás összefoglaló

Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás anizotrópiája

Műholdas és modell által szimulált globális ózon idősorok korrelációs tulajdonságai

Geofizikai kutatómódszerek I.

Általánosan, bármilyen mérés annyit jelent, mint meghatározni, hányszor van meg

Biomatematika 12. Szent István Egyetem Állatorvos-tudományi Kar. Fodor János

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Dr. Berta Miklós. Széchenyi István Egyetem. Dr. Berta Miklós: Gravitációs hullámok / 12

ANALÍZIS II. Példatár

Diszkréten mintavételezett függvények

Többváltozós lineáris regressziós modell feltételeinek

Statisztikai következtetések Nemlineáris regresszió Feladatok Vége

Hogyan mozognak a legjobb égi referenciapontok?

Z v 1 (t)v 2 (t τ)dt. R 12 (τ) = 1 R 12 (τ) = lim T T. ill. periódikus jelekre:

Fourier transzformáció

Diszkrét Matematika. zöld könyv ): XIII. fejezet: 1583, 1587, 1588, 1590, Matematikai feladatgyűjtemény II. (

Abszorpciós spektrumvonalak alakja. Vonalak eredete (ld. előző óra)

Biometria az orvosi gyakorlatban. Korrelációszámítás, regresszió

Explicit hibabecslés Maxwell-egyenletek numerikus megoldásához

Mérési hibák

Eddigi tanulmányaink alapján már egy sor, a szeizmikában általánosan használt műveletet el tudunk végezni.

Hogyan lehet meghatározni az égitestek távolságát?

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 12. mérés: Infravörös spektroszkópia május 6.

A Fermi gammaműhold mozgásának vizsgálata

Megoldások. ξ jelölje az első meghibásodásig eltelt időt. Akkor ξ N(6, 4; 2, 3) normális eloszlású P (ξ

Henger körüli áramlás Henger körüli áramlás. Henger körüli áramlás. ρ 2. R z. R z. = 2c. c A. = 4c. c p. = c cos. y/r 1.5.

Kabos: Statisztika II. t-próba 9.1. Ha ismert a doboz szórása de nem ismerjük a

STATISZTIKAI PROBLÉMÁK A

T obbv altoz os f uggv enyek integr alja. 3. r esz aprilis 19.

Pulzáló változócsillagok és megfigyelésük I.

Adatok statisztikai értékelésének főbb lehetőségei

A mérési eredmény megadása

Ejtési teszt modellezése a tervezés fázisában

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Termék modell. Definíció:

Többváltozós lineáris regressziós modell feltételeinek tesztelése I.

2011 Fizikai Nobel-díj

Statisztika elméleti összefoglaló

Nemzetközi Csillagászati és Asztrofizikai Diákolimpia Szakkör Asztrofizika II. és Műszerismeret Megoldások

Minőségellenőrzés. Miről lesz szó? STATISZTIKAI FOLYAMATSZABÁLYOZÁS (SPC) Minőségszabályozás. Mikor jó egy folyamat? Ellenőrzés Szabályozás

Loss Distribution Approach

Véletlenszám generátorok és tesztelésük HORVÁTH BÁLINT

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

Kísérlettervezés alapfogalmak

Adatelemzési eljárások az idegrendszer kutatásban Somogyvári Zoltán

A valószínűségszámítás elemei

A csillagközi anyag. Interstellar medium (ISM) Bonyolult dinamika. turbulens áramlások MHD

Nehézségi gyorsulás mérése megfordítható ingával

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

Aktív galaxismagok, szupermasszív fekete lyukak

Kvázisztatikus határeset Kritikus állapot Couette-teszt

[Biomatematika 2] Orvosi biometria

e (t µ) 2 f (t) = 1 F (t) = 1 Normális eloszlás negyedik centrális momentuma:

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

Normális eloszlás tesztje

1. ábra. 24B-19 feladat

Abszorpciós spektroszkópia

A Brüel & Kjaer zajdiagnosztikai módszereinek elméleti alapjai és ipari alkalmazása

Biomatematika 13. Varianciaanaĺızis (ANOVA)

1.1. Feladatok. x 0 pontban! b) f(x) = 2x + 5, x 0 = 2. d) f(x) = 1 3x+4 = 1. e) f(x) = x 1. f) x 2 4x + 4 sin(x 2), x 0 = 2. általános pontban!

Valószínűségi változók. Várható érték és szórás

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Line aris f uggv enyilleszt es m arcius 19.

Fraktálok. Hausdorff távolság. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék március 14.

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

(Independence, dependence, random variables)

Statisztikai módszerek a skálafüggetlen hálózatok

1. Adatok kiértékelése. 2. A feltételek megvizsgálása. 3. A hipotézis megfogalmazása

A valószínűségszámítás elemei

STATISZTIKA. A maradék független a kezelés és blokk hatástól. Maradékok leíró statisztikája. 4. A modell érvényességének ellenőrzése

Trócsányi Zoltán. Kozmológia alapfokon

STATISZTIKAI ALAPOK. Statisztikai alapok_eloszlások_becslések 1

Képfeldolgozás. 1. el adás. A képfeldolgozás m veletei. Mechatronikai mérnök szak BME, 2008

Ellipszis vezérgörbéjű ferde kúp felszínének meghatározásához

Átírás:

A nagy skálás szerkezet statisztikus leírása Dobos László Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék dobos@complex.elte.hu É 5.60 2014. április 7.

A nagy skálás szerkezet statisztikus leírása Össze akarjuk hasonĺıtani megfigyeléseket sötétanyag-szimulációkat kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás fluktuációit Ehhez mindenképp valamilyen statisztikus leírás kell a szimulációk sosem magát a valóságot adják a KMHS csak elméleti úton kapcsolható össze a ma látható galaxisokkal

Statisztikai elemzésre alkalmas minta készítése Spektroszkópiai égtérképek készítésekor előzetesen csak becsülni lehet egy objektum vöröseltolódását spektroszkópiára kijelölés látszólagos fényesség alapján ezért a minta általában magnitúdó-limitált Malmquist-torzítás fluxuslimitált minta problémája a halványabb galaxisokat távol már nem látjuk közelebb nagyobb galaxissűrűséget látunk, mint távol

Vörös óriásgalaxisok Ideálisak a nagy skálás szerkezet tanulmányozására fényesek könnyű mérni a vöröseltolódásukat A vörös galaxisok evolválnak nincsen csillagkeletkezés a csillagaik passzívan öregednek a spektrumuk időben változik Evolúció-korrekció: modell alapján korrigáljuk a magnitúdókat a K-korrekció mellett egy e-korrekciót is ad

Magnitúdó-limitált minta: látszólagos magnitúdó 14 15 m r [mag] 16 17 18 19 20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 z

Magnitúdó-limitált minta: abszolút magnitúdó -24-23 M r [mag] -22-21 -20-19 -18-17 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 z

Térfogat-limitált minta Explicit abszolút magnitúdó és vöröseltolódás vágás kell a minta jelentős részét elveszítjük cserébe a statisztika egyszerű -24-23 M r [mag] -22-21 -20-19 -18-17 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 z

Az együtt mozgó távolságok és a térfogat Mért koordináták: α, δ, z ezeket át kell számolni 3D koordinátákra z R = D C (z) kell De az Univerzum tágul nagy z tartományokat nézünk régen a galaxisok közelebb voltak egymáshoz (méterben!) ezért használjuk a D C együtt mozgó távolságot kitranszformáljuk a skálaparaméter Szerencsére az Univerzum majdnem pontosan sík a transzverzális távolságok megegyeznek a látóirányúval D M = D C V = D 3 C

A térbeli eloszlás jellemzése Elsődleges cél: minket elsősorban nem a galaxiseloszlás térképe érdekel arra vagyunk kíváncsiak, hogy hogyan alakult ki ez az eloszlás A galaxisok eloszlását össze akarjuk hasonĺıtani sötétanyag-szimulációkkal a kozmikus háttérsugárzás mintázatával Ehhez statisztikai leírás kell próbálkozzunk a statfizből ismert korrelációs függvénnyel ρ( r) ξ(r)

A párkorrelációs függvény r dv 2 dv 1 Mi annak a valószínűsége, hogy két r távolságban levő, véletlenül elhelyezett dv 1 és dv 2 térfogatú tércella mindegyikében találtunk galaxist?

A párkorrelációs függvény definíciója Az előbb definiált valószínűség: δp = n 2 [1 + ξ(r)] dv 1 dv 2 n a galaxisok átlagos számsűrűsége Mpc 3 ξ(r) az ún. párkorrelációs függvény, dimenziótlan A párkorrelációs függvény és a sűrűség korrelációja ρ(r) folytonos sűrűségeloszlás gond: a galaxiseloszlásból ezt nem tudjuk megmondani! most feltesszük, hogy igen

Összefüggés a folytonos sűrűségeloszlással Statisztikus fizikában valamilyen térmennyiség autokorrelációja: ρ(x)ρ(x + r) = 1 ρ(x)ρ(x + r) dx V V valami jól meghatározott térfogatra integrálunk az a térfogat, amiben megfigyeltük a galaxisokat ρ(x) folytonos, a galaxisok eloszlása nem az Ha feltesszük, hogy a galaxisok azonos M G tömegűek, akkor ρ(x) = i M G δ xi a galaxisok tömege természetesen nem azonos kellően nagy mintára ez akár ki is átlagolódhat

A sűrűség autokorrelációja és a párkorrelációs függvény Az előbbi definíció alapján az irányfüggő párkorrelációs függvény: ξ(r) = ρ(x)ρ(x + r) ρ(x) 2 1 Fel kell még összegezni az összes irányra, majd normálni: ξ(r) = 1 4πr 2 ξ(r) dr S(r)

A sűrűségfluktuáció Fourier-transzformáltja A sűrűségfluktuációt az átlagos sűrűségtől való eltéréssel definiáljuk: δ(x) = ρ(x) ρ ρ ξ(r) = δ(x)δ(x + r) A sűrűségfluktuációt kifejthetjük síkhullámok szerint δ(x) = δ(k)e ikx dk Ekkor δ(k) a hullámszám függvényében adott: δ(k) = 1 δ(x)e ikx dx V

A korrelációs függvény Fourier-transzformáltja Írjuk fel a korrelációs függvényt a Fourier-transzformáltakból: δ(x)δ(x + r) = 1 δ(k)δ(k ) e ikx e ik (x+r) dk dk dx V Kihasználva, hogy δ(k) = δ( k), és a bázisfüggvények ortogonálisak ξ(r) = δ(x)δ(x + r) = δ(k) 2 e ikr dr Ez definiálja a teljesítményspektrumot 1 : P(k) = δ(k) 2 Vagyis a párkorrelációs függvény a teljesítményspektrum inverz-fourier-transzformáltja 2. 1 más néven spektrális sűrűség, angolul power spectrum 2 Wiener Kkinchin-tétel

A teljesítményspektrum meghatározása Először ξ(r) meghatározása megfigyelésekből térfogat-limitált mintát készítünk minden galaxis távolságát megmérjük minden másiktól hisztogramot készítünk (általában csak 1D) ξ(r)-t Fourier-transzformálva kapjuk P(k)-t ez numerikusan diszkrét Fourier-transzformációt jelent általában FFT ezért érdemes a hisztogram felbontását kettő hatványának venni

A teljesítményspektrum és a párkorrelációs függvény Egymás Fourier-transzformáltjai. Mi a különbség? Párkorrelációs függvény jobbára csak galaxisokra határozható meg Teljesítményspektrum az elméleti számolások hullámszám-térben mennek ezekből a teljesítményspektrumot kapjuk a kozmikus háttérsugárzásnak is csak a spektrumát tudjuk mérni, ebből számolhatjuk vissza a korrelációs függvényt

A távolsághisztogram meghatározása A távolsághisztogram binjeit normálni kell minden galaxist minden másikkal össze kell párosítani naivan összegezve a hisztogram ξ(r) r 2 módon skálázna Pontosan kell ismerni a megfigyelt térfogat határait vöröseltolódás limitek megfigyelt terület az égen a széleken levő galaxisoknál figyelni kell az r sugarú gömb nincsen benne teljesen a megfigyelt térfogatban a szélek erős torzítást okoznak

Egy ötlet a különböző torzítások kiküszöbölésére A cél a hisztogram binjeinek megfelelő normálása tekintsük a megfigyelt mintát generáljunk egy teljesen random mintát azonos n-nel, ugyanabban a térfogatban Határozzuk meg a két mintában az r távolságokra levő galaxisok számát DD: a távolságokat a megfigyelt adatokban mérjük RR: a távolságokat a random mintában mérjük Ezzel becsülhető a korrelációs függvény: 1 + ξ(r) = DD RR

Landy Szalay-féle becslés Hisztogram meghatározásánál egy fő kérdés: mekkora az egyes binekben a hiba? ideális esetben Poisson-eloszlás Stephen Landy és Szalay Sándor (1993) az 1 + ξ(r) = DD RR becslés hibája túl nagy helyette mást javasoltak 1 + ξ(r) = DD 2DR + RR RR itt DR a mért és a random minta közötti korreláció ennek a varianciája effektíve a Poisson-hiba

Mérési eredmények: a teljesítményspektrum

A párkorrelációs függvény szakaszai

Az SDSS mérési eredményei: párkorrelációs függvény

A párkorrelációs függvény modellezése Kis távolságokra (< 8 Mpc) a galaxisok párkorrelációs függvénye: ξ(r) r γ γ 1,75 Függ a galaxisok típusától is elliptikus galaxisok erősebben klasztereződnek avagy: az erősebben klasztereződött galaxisok inkább elliptikusak γ ell = 1,86 γ sp = 1,41

A Limber-egyenlőség Régen nem állt rendelkezésre elegendő vöröseltolódás mérése csak a projektált eloszlást látjuk szögkorrelációkat néztek: w = w(θ) kis vöröseltolódásokig D M θ Ki lehet-e találni a 3D γ exponenst a 2D eloszlásból? egymáshoz közel levő galaxisokra igen: Limber (1954) w(θ) θ 1 γ ξ(r) r γ

Az SDSS eredményei: párkorrelációs függvény

Barionikus akusztikus oszcillációk A párkorrelációs függvényen 100 h 1 Mpc-nél csúcs az SDSS vörös óriásgalaxisaiból sikerült kimutatni a vártál élesebb a csúcs A korai Univerzum hanghullámainak lenyomata az ősi plazmában legerősebb harmonikus a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban is látjuk hullámhossza megfelel az akkori akusztikus horizont méretének

A Kaiser-effektus A galaxisok a Hubble-áramláshoz képest mozognak pekuliáris sebesség csak a látóirányba eső sebességet tudjuk mérni de ezt is csak a vöröseltolódással együtt Galaxishalmazokban jelentős sebességdiszperzió belül random mozgás kívül befelé zuhanás Nagy skálákon áramlás a filamentumok irányába filamentumok mentén a szuperklaszterekbe

A Doppler-eltolódás torzító hatásai valós térben áramlás ρ(x) áramlás vöröseltolódás-térben ρ(z)

Redshift-space distortion Bontsuk fel a párkorrelációs függvényt két irányra: π: galaxisok közti távolság látóirányban (z-ből) σ: galaxisok közti transzverzális távolság (szögekből + z-ből) ezzel a párkorrelációs függvény ξ = ξ(π, σ)

A redshift-space distortion korrigálása Redshift-space korrelációs függvény: ξ = ξ(s) valójában ez az, amit eddig néztünk Megkülönböztetjük a valódi térben vett r távolságtól mivel a Doppler-eltolódás torzítja a távolságmérést de Doppler csak látóirányban van transzverzálisan a valódi távolságokat mérjük Projektált korrelációs függvény: w p = w p (r p ) r p a két galaxis transzverzális távolsága ez redshift függő, nem simán a szögből jön

A galaxisok okozta torzítás A galaxisok eloszlása nem azonos az anyagsűrűséggel a sötét anyag folytonosan tölti ki a teret a galaxisok a potenciálgödrökben ez erős torzítást okoz a statisztikában Kérdések a galaxis mindig a potenciálgödör közepén van? hogyan függ a galaxis tömege a gödör mélységétől? A kozmológiai szimulációs csak a sötét anyagot szimulálják bele kell tenni a galaxisokat galaxiskeletkezési modellek tesztelése

Magasabb rendű korrelációs függvények A kétpont-korreláció nem mond sokat a topológiáról elsősorban csak a klasztereződésre érzékeny pl. az üregek méreteloszlásáról nem mond semmit Kettőnél több pont korrelációját is lehet definiálni Három pont esetén még egyszerű háromszögek paraméterek: a három oldal vagy két oldal és egy szög jól jellemezheti a mintázatban levő körök eloszlását