[論文レビュー] A gas-rich cosmic web revealed by the partitioning of the missing baryons

Liam Connor, Vikram Ravi+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2024

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は大規模なFRBサンプルをホスト銀河に局所化し、行方不明のバリオンをIGMと halosに分割して、fIGM ≈ 0.80とfX ≈ 0.11を見つけ、Omega_b h70 ≈ 0.049を得た。

ABSTRACT

Approximately half of the Universe's dark matter resides in collapsed halos; significantly less than half of the baryonic matter (protons and neutrons) remains confined to halos. A small fraction of baryons are in stars and the interstellar medium within galaxies. The lion's share are diffuse ($<$10$^{-3}$ cm$^{-3}$) and ionized (neutral fraction $<$10$^{-4}$), located in the intergalactic medium (IGM) and in the halos of galaxy clusters, groups, and galaxies. This diffuse ionized gas is notoriously difficult to measure, but has wide implications for galaxy formation, astrophysical feedback, and precision cosmology. Recently, the dispersion of extragalactic Fast Radio Bursts (FRBs) has been used to measure the total content of cosmic baryons. Here, we present a large cosmological sample of FRB sources localized to their host galaxies. We have robustly partitioned the missing baryons into the IGM, galaxy clusters, and galaxies, providing a late-Universe measurement of the total baryon density of $Ω_b\,h_{70} = 0.051_{-0.006}^{+0.006}$. Our results indicate efficient feedback processes that can deplete galaxy halos and enrich the IGM ($f_{ m IGM}=0.76_{-0.11}^{+0.10}$), agreeing with the baryon-rich cosmic web scenario seen in cosmological simulations. Our results may reduce the ``$S_8$ tension'' in cosmology, as strong feedback leads to suppression of the matter power spectrum.

研究の動機と目的

• 宇宙のバリオンを、局所化されたFRBを用いてIGM、介在する halos、ホスト銀河からの寄与を分離して区分する。
• 拡散性IGM（fIGM）とハロー内のバリオンの割合（fX）を定量化する。
• FRBの分散測定から現在のバリオン密度 Omega_b h70 とハッブル定数 H0 を制約する。
• FRBの結果を多波長のバリオン測定（グループ、クラスター、冷たいガス、星）と統合して完全なバリオン予算を作成する。
• 銀河ハローにおけるフィードバック過程と周囲ガス（CGM）への影響を評価する。

提案手法

• 外部宇宙分散測度 DMex を DMIGM + DX + DMhost として、DMhost の対数正規分布を用いてモデル化する。
• 各ソースの尤度 P(DMex|zs,θ) を推定し、θ = {fIGM, fX, μhost, σhost} の結合後方分布をMCMCで構築する。
• fIGM = OmegaIGM/Omega_b および fX = OmegaHalo/Omega_b としてパラメータ化し、fIGM + fX ≤ 1 を保証する事前分布を用いる。
• FRBデータと外部事前分布に平均宇宙DMとfdd（拡散バリオン分率）を適合させて Omega_b h70 を推定する。
• FRBベースの分割をX線グループ/クラスターおよび他のバリオン測定と組み合わせて、ハローと銀河全体で fICM、fgas、fcold を定量化する。

Figure 1: A full account and partition of the missing baryons. We show the distribution of extragalactic dispersion measure and redshift of localized FRBs in our sample, over half of which are sources recently discovered by the DSA-110. The heatmap corresponds to a likelihood function $P(\mathrm{DM}

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙のバリオンのうち、FRBの視線に沿って拡散IGMと halos の間でどの割合が存在するか？
• RQ2 局所化されたFRBはIGM、介在する halos、ホスト銀河からのDM寄与を分離できるか？
• RQ3 FRBの分散測度から推定される現代のバリオン密度 Omega_b h70 は何か？
• RQ4 FRB推定のバリオン割合は多波長の在庫（グループ/クラスター、冷たいガス、星）とどのように比較され、フィードバック機構への影響は何か？

主な発見

• 拡散IGM中のバリオンのうち fIGM = 0.80^{+0.08}_{-0.09}、ハロー内には fX = 0.11_{-0.07}^{+0.10}（全FRBサンプルから）。
• μhost = 4.90_{-0.20}^{+0.18} および σhost = 0.56_{-0.14}^{+0.16}、対応する中央値の静止系宿主DM ≈ 130_{-23}^{+25} pc cm^{-3} に相当。
• Omega_b h70 = 0.049^{+0.004}_{-0.003}、CMB/BBNと10%未満の精度で整合。
• Independent fdd constraint yields fdd = 0.93_{-0.05}^{+0.04}, supporting a high diffuse gas fraction and ruling out baryon-dense CGM-dominated scenarios.
• Approximately 9% of baryons are in the hot gas of groups/clusters (fICM = 3.75% and fIHG = 5.4% for groups; total ~9% in halo hot gas).
• Overall, >90% of baryons are in diffuse ionized gas in the IGM or in halos/cold gas, constraining the stellar baryon fraction f* ≤ 9% (disfavoring a bottom-heavy IMF).

Figure 2: An MCMC fit of extragalactic gas parameters to a sample of localized FRBs. We show the joint posteriors of the fraction of baryons in the IGM, $f_{\rm IGM}$ , in halos, $f_{X}$ , as well as those of a log-normal distribution taken to describe the host galaxy DM, $\mu_{host}$ and $\sigma_{h