[論文レビュー] Evidence for large baryonic feedback at low and intermediate redshifts from kinematic Sunyaev-Zel'dovich observations with ACT and DESI photometric galaxies

Boryana Hadzhiyska, S Ferraro+71 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2024

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

この論文は photometric redshift と ACT データを用いて DESI LRG 周囲の kSZ 信号を測定し、ガスが暗黒物質よりはるかに広く分布していること、そして強いバリオン制動のフィードバックが低フィードバックモデルより支持されることを示しています。

ABSTRACT

Recent advances in cosmological observations have provided an unprecedented opportunity to investigate the distribution of baryons relative to the underlying matter. In this work, we show that the gas is more extended than the dark matter, and the amount of baryonic feedback at $z \lesssim 1$ disfavors low-feedback models such as that of state-of-the-art hydrodynamical simulation IllustrisTNG compared with high-feedback models such as that of the original Illustris simulation. This has important implications for bridging the gap between theory and observations and understanding galaxy formation and evolution. Furthermore, a better grasp of the baryon-dark matter link is critical to future cosmological analyses, which are currently impeded by our limited knowledge of baryonic feedback. Here, we measure the kinematic Sunyaev-Zel'dovich (kSZ) effect from the Atacama Cosmology Telescope (ACT), stacked on the luminous red galaxy (LRG) sample of the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) imaging survey. This is the first analysis to use photometric redshifts for reconstructing galaxy velocities. Due to the large number of galaxies comprising the DESI imaging survey, this is the highest signal-to-noise stacked kSZ measurement to date: we detect the signal at 13$σ$, finding strong evidence that the gas is more spread out than the dark matter, as well as a preference for larger feedback compared to some commonly used state-of-the-art hydrodynamical simulations. Our work opens up the possibility of recalibrating large hydrodynamical simulations using the kSZ effect. In addition, our findings point towards a way of alleviating inconsistencies between weak lensing surveys and cosmic microwave background (CMB) experiments, such as the `low $S_8$' tension, and shed light on long-standing enigmas in astrophysics, such as the `missing baryon' problem.

研究の動機と目的

• 今後の大規模構造観測に向けて、ダークマターと比較したバリオンの分布をマッピングする必要性を動機づける。
• 光度限界赤方差を用いて線形的な赤方空間の速度を再構築し、novel な kSZ 分析を実証する。
• DESI LRG の周囲のガスの広がりを定量化し、流体力学的シミュレーションと比較してフィードバック強度を推定する。
• S8テンションと弱いレンズ効果/ CMB の不一致への影響を評価する。

提案手法

• 赤方偏移空間での3D銀河過剰密度場を用い、線形化された連続方程式から線形近似で速度を再構成する。
• DESI LRG を中心に ACT DR6 マップ上で補償付き開口測光（CAP）フィルターを用いて kSZ 信号をスタックし、径方向のガスプロファイルを取得する。
• 速度再構成の精度を組み込んだ速度加重推定量で kSZ の振幅を推定する（光度データの r ~ 0.3、分光模擬では ~0.64）。
• スタックされた kSZ プロファイルの共分散をブートストラップ再サンプリングで推定する。
• 振幅を再スケーリングしプロファイル形状を解析することで、観測されたガスプロファイルを TNG300-1、Illustris-1、IllustrisTNG の予測と比較する。
• 再構築された速度をシャッフルすることで系統性がないことをニュートラル検定で検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DESI LRG の周囲のガスは、ダークマター分布と比べてどれくらい広がっているのか？
• RQ2 z<1 において、測定されたガスプロファイルは高いバリオン・フィードバックを含むシミュレーションを低フィードバックモデルより支持するのか？
• RQ3 kSZ によるガスプロファイルは流体力学シミュレーションの再校正や弱いレンズ効果と宇宙論の不整合の解消に役立つのか？
• RQ4 光度法による赤方偏差を用いた速度再構成が、得られる kSZ 信号にどのような影響を与えるのか？

主な発見

銀河の数	zの平均	χ^2_null	SNR_null	SNR_DM
Ext. DR9 z_bin=1	963,631	0.47	43.2	19.9	6.4
Ext. DR9 z_bin=2	1,658,313	0.63	69.4	21.6	7.1
Ext. DR10 z_bin=3	1,951,646	0.79	80.3	26.1	8.2
Ext. DR10 z_bin=4	1,690,171	0.92	34.0	14.6	4.6
Ext. DR9+10 all	6,850,072	0.75	203.0	42.9	13.5
Main DR9 z_bin=1	422,350	0.47	25.2	13.7	4.4
Main DR9 z_bin=2	795,393	0.63	78.8	24.4	7.8
Main DR10 z_bin=3	753,945	0.79	65.9	23.4	7.3
Main DR10 z_bin=4	629,367	0.93	20.8	10.1	3.2
Main DR9+10 all	2,882,904	0.74	166.7	38.8	12.1

• スタックされた kSZ 信号は各ビンで約 13σ、ダークマタープロファイルに対して約 40σ の検出となり、ガスは暗黒物質よりもはるかに広く拡がっている。
• ガスプロファイルは virial 半径を越えて拡がっており、ガスを大きな半径にまで放出する強いバリオン的フィードバックを示唆する。
• 観測されたプロファイルは high-feedback の TNG300-1 と比較して著しく不一致であり、シミュレーションがフィードバック強度を過小評価している可能性を示す。一方、Illustris-1（強いフィードバックを含む古いモデル）はデータとより良く一致する。
• 全ての検証を通じてデータは現状の IllustrisTNG のような低フィードバックモデルを支持しておらず、観測値に一致させるにはより強いフィードバックが必要である。
• ニュートラル検定は CIB や tSZ などの混入要因による信号でないことを確認しており、シャッフルはヌル結果を生む。