[論文レビュー] Mass modeling of galaxy clusters: quantifying hydrostatic bias and contribution from non-thermal pressure

Davidé Martizzi, Harrison Agrusa|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、高解像度の宇宙論的AMRシミュレーションを用いて、銀河団における非熱的圧力の新しい経験的モデルを提案する。このモデルは、X線およびサンヤエフ＝ゼルドビッチ効果に基づく質量再構築における静的平衡質量バイアスを顕著に低減する。モデルは、シミュレーションから得られたICM密度プロファイルに基づいてキャリブレーションされ、非熱的圧力寄与を考慮することで、10–20%の質量低減を是正し、精度の高い宇宙論的スケーリング関係の校正を改善する。

ABSTRACT

Galaxy cluster mass determinations achieved using X-ray and Sunyaev-Zel'dovich data combined with the assumption of hydrostatic equilibrium are generally biased. The bias exists for two main reasons: non-thermal pressure forces are expected to contribute to the overall pressure balance and deviations from spherical symmetry and hydrostatic equilibrium can be present. In this paper, we use a sample of zoom-in hydrodynamical simulations of galaxy clusters to measure the magnitude of hydrostatic bias and the non-thermal contribution to the total pressure. We propose a new empirical model for non-thermal pressure based on our simulations that can be applied to observations. We show that our model can be successfully applied to remove most of the bias related to neglection of non-thermal pressure, which is usually not included in hydrostatic cluster mass profile reconstructions. The use of this model may significantly improve the calibration of cluster scaling relations that are a key tool for cluster cosmology.

研究の動機と目的

• X線およびSZデータを用いた銀河団質量再構築における、依然として残存する静的平衡質量バイアスに対処すること。
• クラスターハロ内のICM圧力支持に寄与する非熱的圧力（乱流、大規模運動）の寄与を定量化すること。
• シミュレーションで得られたICM密度に基づいて、観測に適用可能な経験的非熱的圧力モデルを構築すること。
• 大規模な宇宙背景放射測定計画における宇宙論的パラメータ推定に不可欠なクラスタースケーリング関係の精度を向上させること。
• 非熱的圧力補正を行った後でも、静的平衡および球対称性の仮定に起因する限界を評価すること。

提案手法

• AGNフィードバックを含む、10個の高解像度のズームイン宇宙論的AMRシミュレーション（ramsesコード）を用いた。
• 真の重力的質量プロファイルと比較して、熱的圧力のみを仮定した静的平衡質量プロファイルを計算した。
• 半径関数としての静的質量と真の質量の乖離（バイアス）を特定し、0.1–2R₅₀₀で10–20%の低減が生じることを同定した。
• ICM密度関数としての非熱的圧力寄与を測定し、外縁部で全圧力の20–40%に達することを発見した。
• 経験的モデルを構築：fₙₜ(P) = α × ρⁿ、ここでfₙₜは非熱的圧力寄与率、ρはICM密度。シミュレーションデータに基づいてキャリブレーションした。
• モデルを用いて静的質量プロファイルを補正し、速度分散の測定を必要としないままもってもバイアスが顕著に低減されることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量再構築において熱的圧力のみを仮定した場合、銀河団の静的平衡質量バイアスはどの程度の大きさか？
• RQ2 特に大半径領域において、非熱的圧力（乱流、大規模運動）はICMの圧力支持にどの程度寄与するか？
• RQ3 ICM密度に基づく単純な経験的モデルが、非熱的圧力を正確に予測し、静的平衡バイアスを是正できるか？
• RQ4 非熱的圧力補正により、静的質量と真の質量の乖離はどの程度低減されるか？
• RQ5 非熱的圧力補正を行った後でも、静的平衡および球対称性の仮定に起因する限界は何か？

主な発見

• 熱的圧力のみを仮定した静的質量再構築では、0.1R₅₀₀から2R₅₀₀の半径領域で、クラスターマスが10–20%低く見積もられる。
• 外縁部（R₅₀₀ < r < 2R₅₀₀）では、非熱的圧力が全圧力支持の20–40%を占め、主に大規模運動と乱流に起因する。
• ICM密度に基づく非熱的圧力の提案モデルは、シミュレーションにおいて静的質量バイアスの大部分を是正した。
• 速度分散に依存しないため、従来の解析的モデルと比較して観測データへの応用がより現実的である。
• 非熱的圧力補正を行った後でも、静的平衡および球対称性の仮定に起因する残存バイアスが5–10%残存する。
• 解像度の制限により、シミュレーションは真の非熱的圧力寄与を低く見積もっている可能性があり、実際の観測ではバイアスがさらに高くなる可能性がある。