PolyBin3D: A Suite of Optimal and Efficient Power Spectrum and Bispectrum Estimators for Large-Scale Structure (2404.07249v2)
Abstract: By measuring, modeling and interpreting cosmological datasets, one can place strong constraints on models of the Universe. Central to this effort are summary statistics such as power spectra and bispectra, which condense the high-dimensional data into low-dimensional representations. In this work, we introduce a modern set of estimators for computing such statistics from three-dimensional clustering data, and provide a flexible Python/Cython implementation; PolyBin3D. Working in a maximum-likelihood formalism, we derive general estimators for the two- and three-point functions, which yield unbiased spectra regardless of the survey mask and weighting scheme. These can be directly compared to theory without the need for mask-convolution. Furthermore, we present a numerical scheme for computing the optimal (minimum-variance) estimators for a given survey, which is shown to reduce error-bars on large-scales. Our Python package includes both general "unwindowed" estimators and their idealized equivalents (appropriate for simulations), each of which are efficiently implemented using fast Fourier transforms and Monte Carlo summation tricks, and additionally supports GPU acceleration using JAX. These are extensively validated in this work, with Monte Carlo convergence (relevant for masked data) achieved using only a small number of iterations (typically $<10$ for bispectra). This will allow for fast and unified measurement of two- and three-point functions from current and upcoming survey data.
- S. Aiola et al. (ACT), JCAP 12, 047 (2020), arXiv:2007.07288 [astro-ph.CO] .
- L. Balkenhol et al. (SPT-3G), Phys. Rev. D 108, 023510 (2023), arXiv:2212.05642 [astro-ph.CO] .
- T. M. C. Abbott et al. (DES), Phys. Rev. D 105, 023520 (2022), arXiv:2105.13549 [astro-ph.CO] .
- H. Hildebrandt et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 465, 1454 (2017), arXiv:1606.05338 [astro-ph.CO] .
- R. Dalal et al.,  (2023), arXiv:2304.00701 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox and M. M. Ivanov, Phys. Rev. D 105, 043517 (2022), arXiv:2112.04515 [astro-ph.CO] .
- Y. Akrami et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A9 (2020), arXiv:1905.05697 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox, Phys. Rev. D 106, 063501 (2022), arXiv:2206.04227 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox and M. Shiraishi,  (2023), arXiv:2308.03831 [astro-ph.CO] .
- N. Arkani-Hamed and J. Maldacena,  (2015), arXiv:1503.08043 [hep-th] .
- R. K. Sheth and R. van de Weygaert, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 350, 517 (2004), arXiv:astro-ph/0311260 .
- A. Pisani et al.,  (2019), arXiv:1903.05161 [astro-ph.CO] .
- R. K. Sheth, MNRAS 364, 796 (2005), arXiv:astro-ph/0511772 [astro-ph] .
- M. White, JCAP 2016, 057 (2016), arXiv:1609.08632 [astro-ph.CO] .
- D. H. Weinberg, MNRAS 254, 315 (1992).
- H. Rubira and R. Voivodic, JCAP 2021, 070 (2021), arXiv:2011.12280 [astro-ph.CO] .
- T. Matsubara, Astrophys. J. Lett. 434, L43 (1994), arXiv:astro-ph/9405037 .
- J. Schmalzing, in 12th Potsdam Cosmology Workshop: Large Scale Structure: Tracks and Traces: International Workshop (1997) arXiv:astro-ph/9710302 .
- M. Eickenberg et al.,  (2022), arXiv:2204.07646 [astro-ph.CO] .
- B. R.-S. Blancard et al.,  (2023), arXiv:2310.15250 [astro-ph.CO] .
- P. Lemos et al., in 40th International Conference on Machine Learning (2023) arXiv:2310.15256 [astro-ph.CO] .
- T. Flöss and P. D. Meerburg, JCAP 02, 031 (2024), arXiv:2305.07018 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox, Phys. Rev. D 107, 123516 (2023a), arXiv:2303.08828 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox,  (2023b), arXiv:2306.03915 [astro-ph.CO] .
- K. M. Smith and M. Zaldarriaga, MNRAS 417, 2 (2011), arXiv:astro-ph/0612571 [astro-ph] .
- A. J. S. Hamilton, Lect. Notes Phys. 665, 415 (2008a), arXiv:astro-ph/0503603 .
- A. J. S. Hamilton, Lect. Notes Phys. 665, 433 (2008b), arXiv:astro-ph/0503604 .
- A. J. S. Hamilton and M. Tegmark, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 312, 285 (2000), arXiv:astro-ph/9905192 .
- K. Yamamoto, ApJ 595, 577 (2003), arXiv:astro-ph/0208139 [astro-ph] .
- D. Sorini, JCAP 2017, 029 (2017), arXiv:1612.00725 [astro-ph.CO] .
- J. R. Fergusson and E. P. S. Shellard, arXiv e-prints , arXiv:1105.2791 (2011), arXiv:1105.2791 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox and D. J. Eisenstein, MNRAS 492, 1214 (2020), arXiv:1912.01010 [astro-ph.CO] .
- D. Regan, JCAP 2017, 020 (2017), arXiv:1708.05303 [astro-ph.CO] .
- D. Gualdi and L. Verde, JCAP 2020, 041 (2020), arXiv:2003.12075 [astro-ph.CO] .
- J. Byun and E. Krause, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 525, 4854 (2023), arXiv:2205.04579 [astro-ph.CO] .
- P. Gagrani and L. Samushia, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 467, 928 (2017), arXiv:1610.03488 [astro-ph.CO] .
- V. Yankelevich and C. Porciani, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 483, 2078 (2019), arXiv:1807.07076 [astro-ph.CO] .
- M. Tegmark, Phys. Rev. D 55, 5895 (1997), arXiv:astro-ph/9611174 [astro-ph] .
- J. Borrill, Phys. Rev. D 59, 027302 (1999), arXiv:astro-ph/9712121 [astro-ph] .
- G. Efstathiou, MNRAS 349, 603 (2004), arXiv:astro-ph/0307515 [astro-ph] .
- O. H. E. Philcox, Phys. Rev. D 103, 103504 (2021), arXiv:2012.09389 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox, Phys. Rev. D 104, 123529 (2021), arXiv:2107.06287 [astro-ph.CO] .
- Y. P. Jing, ApJ 620, 559 (2005), arXiv:astro-ph/0409240 [astro-ph] .
- J. R. Fergusson and E. P. S. Shellard,  (2011), arXiv:1105.2791 [astro-ph.CO] .
- M. Münchmeyer and K. M. Smith,  (2019), arXiv:1905.05846 [astro-ph.CO] .
- E. Castorina and M. White, MNRAS 476, 4403 (2018), arXiv:1709.09730 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox and Z. Slepian, Phys. Rev. D 103, 123509 (2021), arXiv:2102.08384 [astro-ph.CO] .
- E. Castorina and M. White, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 479, 741 (2018), arXiv:1803.08185 [astro-ph.CO] .
- E. Castorina and M. White, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 499, 893 (2020), arXiv:1911.08353 [astro-ph.CO] .
- F. Beutler and P. McDonald, JCAP 11, 031 (2021), arXiv:2106.06324 [astro-ph.CO] .
- A. Girard, Numerische Mathematik 56, 1 (1989).
- M. Hutchinson, Communications in Statistics - Simulation and Computation 19, 433 (1990), https://doi.org/10.1080/03610919008812866 .
- R. A. Meyer, C. Musco, C. Musco,  and D. P. Woodruff, “Hutch++: Optimal stochastic trace estimation,” (2021), arXiv:2010.09649 [cs.DS] .
- R. Scoccimarro, Phys. Rev. D 92, 083532 (2015), arXiv:1506.02729 [astro-ph.CO] .
- K. Garcia and Z. Slepian, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 515, 1199 (2022), arXiv:2011.03503 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox, “PolyBin: Binned polyspectrum estimation on the full sky,” Astrophysics Source Code Library, record ascl:2307.020 (2023), ascl:2307.020 .
- M. Frigo, SIGPLAN Not. 34, 169–180 (1999).
Sponsor
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.