EMC2 - Euclid Mission Cluster Cosmology: unlock the full cosmological utility of the Euclid photometric cluster catalog

I cluster di galassie sono una delle principali sonde cosmologiche dei prossimi ampi survey fotometrici a campo largo, come Euclid o LSST, con la promessa di contribuire a far luce su molte questioni fondamentali in cosmologia come la natura della materia oscura e dell'energia oscura. Tuttavia, nonostante i progressi enormi compiuti nell'ultimo decennio, una considerevole quantità di informazioni cosmologiche codificate in questi dati rischia di rimanere inutilizzata a causa della nostra limitata capacità di collegare le proprietà osservate della struttura su larga scala ai nostri modelli teorici. I cataloghi fotometrici dei cluster sono un esempio di questa limitazione: diverse fonti di sistematiche ostacolano la nostra capacità di calibrare le masse dei cluster dai proxy di massa osservabili e quindi di interpretare i dati all'interno del nostro quadro teorico. Questo è particolarmente vero per i sistemi di bassa e media massa (13,5≲log(M)≲14,5): questi oggetti superano di ordini di grandezza il numero di cluster massicci nei cataloghi fotometrici dei cluster, ma il basso rapporto segnale-rumore (S/N) di queste rilevazioni rende questi sistemi particolarmente inclini a sistematiche che ne limitano l'utilità cosmologica. Il nostro team ha una lunga esperienza nello sviluppo di modelli e strumenti di analisi per gli studi di cosmologia dei cluster. In particolare, abbiamo giocato un ruolo chiave nello sviluppo del campo guidando le analisi dei cataloghi fotometrici dei cluster all'avanguardia, come redMaPPer SDSS e DES Y1, dove alcune di queste sistematiche sono state identificate e studiate per la prima volta. La proposta EMC2 mira a sbloccare l'utilità cosmologica completa del futuro catalogo di cluster di Euclid attraverso una caratterizzazione accurata del campione su tutta la gamma di masse esplorate dal survey, con particolare enfasi sulle rilevazioni a basso S/N poco comprese che limitano la potenza statistica dei survey fotometrici dei cluster in corso e futuri. Pianifichiamo di raggiungere il nostro obiettivo perseguendo tre principali linee di indagine: 1) l'ottimizzazione degli algoritmi per la ricerca dei cluster e la definizione dei proxy di massa utilizzati per costruire il campione cosmologico; 2) lo sviluppo di un modello per descrivere accuratamente la relazione tra i proxy di massa fotometrica e la massa dell'alone sottostante su tutta la gamma di masse esplorate dal survey; 3) lo sviluppo di una metodologia per sfruttare in modo ottimale i dati sparsi spettroscopici delle galassie membri del cluster che saranno disponibili dal survey Euclid per la calibrazione della massa del cluster. Il nostro team è in una posizione privilegiata per portare avanti tale proposta grazie a) ai ruoli di spicco ricoperti dai suoi membri nel Consorzio Euclid e in altre collaborazioni internazionali come DES e GOGREEN, b) all'accesso a dati e simulazioni proprietari all'avanguardia. Il tempismo della proposta corrisponde perfettamente al cronoprogramma della missione Euclid (lancio a metà 2023) e i suoi risultati forniranno gli strumenti necessari per l'analisi di tutti i futuri survey sui cluster di galassie dalle prossime generazioni di strutture osservative (ad es. DESI, eROSITA, LSST, CMB-S4).

Galaxy clusters are one of the main cosmological probes of the next coming wide field photometric surveys, such as Euclid or LSST, with the promise of helping shedding light on many fundamental questions in cosmology such as the nature of dark matter and dark energy. Yet, despite the huge progress made over the last decade, a sizable amount of the cosmological information encoded in this data risks to remain unexploited due to our limited capability of connecting the observed properties of the large scale structure to our theoretical models. Photometric cluster catalogs exemplify this limitation: different sources of systematics hamper our capability of calibrating cluster masses from observable mass proxies, and thus, of interpreting the data within our theoretical framework. This is especially true for low to intermediate mass systems (13.5≲log(M)≲14.5): these objects outnumber by orders of magnitudes the number of massive clusters in photometric cluster catalogs, but the low signal-to-noise (S/N) of these detections makes these systems especially prone to systematics which hinder their cosmological utility. Our team has a long track record in developing models and analysis tools for cluster cosmology studies. In particular, we played a key role in the development of the field by leading the analyses of state-of-the-art photometric cluster catalogs, such as redMaPPer SDSS and DES Y1, where some of these systematics were firstly identified and studied. The EMC2 proposal aims at unlocking the full cosmological utility of the forthcoming Euclid cluster catalog by a careful characterization of the sample over the whole mass range probed by the survey with particular emphasis on the poorly understood low S/N detections which limit the statistical power of ongoing and future photometric cluster surveys. We plan to achieve our goal by pursuing three main lines of investigation: 1) the optimization of the cluster finder algorithms and mass proxy definition used to build the cosmological sample; 2) the development of a model to accurately describe the relation between the photometric mass proxies and underlying halo mass over the whole mass range probed by the survey; 3) the development of a methodology to optimally exploit the sparse cluster member galaxies’ spectroscopic data that will be available from the Euclid survey for cluster mass calibration. Our team is in a privileged position to carry out such a proposal thanks to i) the leading roles held by its members in the Euclid Consortium and other international collaborations such as DES and GOGREEN, ii) the access to state-of-the art proprietary data and simulations. The timing of the proposal perfectly matches the timescale of the Euclid mission (launch in mid 2023), and its results will set the necessary tools for the analysis of all the forthcoming galaxy cluster surveys from the next generation of observational facilities (e.g. DESI, eROSITA, LSST, CMB-S4).