[論文レビュー] Properties of the CGM and IGM: constraints on galaxy formation models from the Sunyaev-Zel'dovich effect

Sooil Lim, David J Barnes+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、z≈0における周銀河（CGM）および銀河間（IGM）ガスの観測値とシミュレーション値を、Planckデータからのサニヤエフ＝ツェルドビッチ効果（SZE）を用いて比較した。4つの宇宙論的流体力学的シミュレーション（Illustris、TNG300、EAGLE、Magneticum）と照合した結果、フィードバックの影響により自己相似スケーリングから逸脱するガス圧が観測された。ガス質量分率は宇宙の平均と一致したが、観測された温度はシミュレーションの準拡散温度と比べて最大10倍も低く、顕著な不一致が示された。これに伴い、シミュレーションのガス圧および電子密度プロファイルをよりよく再現するため、質量に依存する一般化NFWプロファイルの新モデルが提案された。

ABSTRACT

We present a comparison of the physical properties of the gas in the circumgalactic (CGM) and intergalactic (IGM) media at $z\sim0$ between observations and four cosmological hydrodynamical simulations: Illustris, TNG300 of the IllustrisTNG project, EAGLE, and one of the Magneticum simulations. For the observational data, we use the gas properties that are inferred from cross-correlating the Sunyaev-Zel'dovich effect (SZE) from the {\it Planck} CMB maps with the haloes and the large-scale structure reconstructed from Sloan Digital Sky Survey data. Both the observational and simulation results indicate that the integrated gas pressure in haloes deviates from the self-similar case, showing that feedback impacts haloes with $M_{500}\sim 10^{12-13}\,{ m M_\odot}$. The simulations predict that more than half the baryons are displaced from haloes, while the gas fraction inferred from our observational data roughly equals the cosmic baryon fraction throughout the $M_{500}\sim 10^{12-14.5}\,{ m M_\odot}$ halo mass range. All simulations tested here predict that the mean gas temperature in haloes is about the virial temperature, while that inferred from the SZE is up to one order of magnitude lower than that from the simulations (and also from X-ray observations). While a remarkable agreement is found for the average properties of the IGM between the observation and some simulations, we show that their dependence on the large-scale tidal field can break the degeneracy between models that show similar predictions otherwise. Finally, we show that the gas pressure and the electron density profiles from simulations are not well described by a generalized NFW (GNFW) profile. Instead, we present a new model with a mass-dependent shape that fits the profiles accurately.

研究の動機と目的

• z≈0におけるCGMおよびIGMの物理的性質の観測値とシミュレーション値の比較を通じて、銀河形成モデルを制約すること。
• M500 ~ 10^12–13 M⊙のハローにおけるフィードバックがガス分布および圧力に与える影響を調査すること。
• 観測によるSZE由来のガス温度とシミュレーションの準拡散温度との不一致を解消すること。
• ハロー内でのガス圧および電子密度プロファイルをより正確に記述する解析的モデルの開発。
• 大規模な潮汐場が、予測が類似するモデル間の不確実性を解消する役割を果たすかを評価すること。

提案手法

• Planck CMBマップとSloan Digital Sky Surveyのハローおよび大規模構造データのクロス相関を用い、CGMおよびIGM内のSZE信号およびガス性質を推定する。
• 観測されたガス圧、温度、密度プロファイルを、4つの宇宙論的流体力学的シミュレーション（Illustris、TNG300、EAGLE、Magneticum）の予測と比較する。
• ハロー質量および大規模潮汐場に依存するガス性質の依存性を分析し、モデルのデゲネラシーを解消する。
• 標準的な一般化NFW（GNFW）プロファイルが、シミュレーションデータに対してどの程度適切であるかを評価する。
• シミュレーションのガス圧および電子密度プロファイルをよりよく再現する新しい質量依存型一般化NFWモデルを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SZEから推定された観測されたCGMおよびIGMガス性質は、宇宙論的流体力学的シミュレーションの予測とどのように異なるか？
• RQ2 観測されたSZE由来の温度が、シミュレーションの準拡散温度と比べて最大1桁低いのはなぜか？
• RQ3 フィードバックは、M500 ~ 10^12–13 M⊙のハローにおけるガス圧および分布にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 標準的なGNFWプロファイルは、ハロー内のシミュレーションされたガス圧および電子密度プロファイルを正確に記述できるか？
• RQ5 大規模な潮汐場は、予測が類似するシミュレーションを区別する手がかりとして、ガス性質にどのように影響を与えるか？

主な発見

• M500 ~ 10^12–13 M⊙のハローにおける観測されたガス圧は自己相似スケーリングから逸脱しており、フィードバックがハローに顕著な影響を与えていることを示唆している。
• M500 ~ 10^12–14.5 M⊙の範囲で、ハロー内の観測ガス質量分率は宇宙のバリオン分率と一致しており、バリオンの純損失または蓄積がほとんどないことを示している。
• 観測されたSZE由来の温度は、シミュレーションの準拡散温度と比べて最大1桁低く、観測とシミュレーションの間で顕著な不一致が生じていることを示している。
• テストされたすべてのシミュレーションは、平均ガス温度が準拡散温度に近いと予測しているが、これはSZE観測結果と一致しない。
• 標準的な一般化NFWプロファイルは、シミュレーションされたガス圧および電子密度プロファイルを正確に記述できず、新たなモデルの導入が不可避である。
• ガス圧および電子密度プロファイルのシミュレーション結果をよりよく再現する、質量に依存する新しい一般化NFWモデルが提案された。