Photometric redshift estimation for precision cosmology

Die beobachtende Kosmologie trat in den letzten Jahren in eine Ara hoher statistischer Prazision ein. Beobachtungsprogramme wie das Dark Energy Survey erlauben die Messung der Position und Form von Galaxien in bislang unerreichter Genauigkeit und Tiefe. Die Eigenschaften des Dichtefelds der dunklen Materie und dessen zeitliche Entwicklung konnen anhand dieser Daten vorhergesagt werden, was in den nachsten Jahren unser Verstandnis von dunkler Energie, dunkler Materie und kosmischer Strukturbildung stark verbessern wird. Genaue Messungen der Distanzen dieser Galaxien basierend auf ihrer Photometrie, die sogenannten photometrischen Rotverschiebungen, stellen eine der grosten Herausforderungen fur diese Programme dar. Deren hohe statistische Prazision benotigt daher eine genaue Kontrolle der systematischen Fehlerquellen in der Bestimmung dieser photometrischen Rotverschiebungen. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung von Algorithmen und Methoden, welche die Qualitat dieser photometrischen Rotverschiebungen verbessern, ihre Fehler genau quantifizieren und diese Systematiken in kosmologische Analysen miteinbeziehen. Ich schlage einen neuen Algorithmus vor, der mithilfe der Methoden des Maschinellen Lernens die Modellierung von photometrischen Rotverschiebungen und deren Fehlern deutlich verbessert. In §3 demonstriere ich anhand offentlicher Beobachtungsdaten aus dem CFHTLenS Programm, dass meine Methoden systematische Fehler in einer Reihe von wichtigen kosmologischen Messungen, verglichen mit etablierten Methoden, reduzieren konnen. Dazu gehoren die Bestimmung der Masse von Galaxienhaufen mittels des Gravitationslinseneffektes, sowie die Modellierung von Winkel- und kosmischer Scherkorrelationsfunktionen. Ich schlage auch effiziente und genaue Kompressionstechniken vor, die den Speicherbedarf von photometrischen Beobachtungsprogrammen erheblich reduzieren konnen. Um photometrische Rotverschiebungen prazise kalibrieren zu konnen, werden sehr genaue Referenzrotverschiebungen benotigt, die ublicherweise durch spektroskopische Beobachtungen bereitgestellt werden. Diese Messungen setzen vor allem bei lichtschwachen Galaxien, lange Belichtungszeiten voraus und sind daher kostenintensiv. Infolgedessen gibt es typischerweise wenig Spektren fur lichtschwache Galaxienstichproben. Ich werde in §4 aufzeigen, dass dieser Mangel an Referenzdaten, in Kombination mit ungenau bestimmten photometrischen Rotverschiebungsverteilungen, die Genauigkeit der Messung von kosmologischen Parametern stark beeintrachtigen kann. Als Losung schlage ich daher eine neuartige Methode vor, die es ermoglicht, genaue kosmologische Parameterschatzungen unter Verwendung einer kleinen Zahl wie etwa 5,000 reprasentativer spektroskopischer Referenzgalaxien vorzunehmen. In §5 diskutiere ich Fehlerquellen, welche die Validierung von photometrischen Rotverschiebungen im Rahmen des Dark Energy Surveys beeinflussen konnen. Ich zeige, dass raumliche Variationen der Photometriegenauigkeit zu erheblichen Ungenauigkeiten in der Bestimmung von Rotverschiebungsfehlern fuhren konnen. Die bereits erwahnte Unvollstandigkeit von spektroskopischen Referenzdaten kann die Validierung von photometrischen Rotverschiebungen zusatzlich erschweren. Ich untersuche daher, welche Galaxienrotverschiebungen sich nicht durch spektroskopische Daten kalibrieren lassen, und quantifiziere den erwarteten Fehler im Leistungsspektrum der Gravitationslinsenkonvergenz des projezierten Dichtefeldes. Daruber hinaus evaluiere ich die Genauigkeit von Kompressionstechniken fur photometrische Rotverschiebungsverteilungen im Rahmen des Dark Energy Surveys.