[論文レビュー] The scaling relation between galaxy luminosity and WHIM density from EAGLE simulations with application to SDSS data

Tuominen Toni, Heinämäki Pekka+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 41被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高解像度EAGLEシミュレーションを用いて、銀河のrバンド光度密度（LD）と宇宙フィラメント内の温・高温間銀河間媒体（WHIM）密度との間の頑健なスケーリング関係を確立した。この手法はWHIM密度を0.5デシベル未満の散乱で予測でき、SDSS DR12データに適用した結果、LDは宇宙のバリオン密度のおよそ31±10%を示していることが判明した。これは観測された欠落バリオン分率と整合的であり、大規模な調査においてWHIMを特定するための新しい観測的手がかりを提供する。

ABSTRACT

<p>This paper presents an updated scaling relation between the optical luminosity density (LD) of galaxies in the r band and the density of the warm-hot intergalactic medium (WHIM) in cosmic filaments, using the high-resolution EAGLE simulations. We find a strong degree of correlation between the WHIM density and the galaxy luminosity density, resulting in a scaling relation between the two quantities that permits us to predict the WHIM density of filaments with a scatter of less than 1/2 dex in a broad range of smoothed filament luminosity densities. In order to estimate the performance of the simulation-based calibration of the LD-WHIM density relation, we applied it to a sample of low-redshift filaments detected with the Bisous method in the Legacy Survey SDSS DR12 data. In the volume covered by the SDSS data, our relation predicts a WHIM density amounting to 31 +/- 7 +/- 12 per cent (statistical errors followed by systematic) of cosmic baryon density. This agrees, albeit within the large uncertainties, with the current estimates of the cosmological missing baryon fraction, implying that our LD-WHIM density relation may be a useful tool in the search for the missing baryons. This method of analysis provides a new promising avenue to study the physical properties of the missing baryons, using an observable that is available for large volumes of the sky, complementary and independent from WHIM searches with absorption-line systems in the FUV or X-rays.</p>

研究の動機と目的

• 高解像度EAGLEシミュレーションを用いて、宇宙フィラメント内の銀河光度密度（LD）とWHIM密度との間のスケーリング関係を校正すること。
• 観測可能な光学的LDと難解なWHIM相を結びつけることで、低赤方偏移宇宙における長年のバリオン欠落問題を解決すること。
• FUVおよびX線サーベイにおいてWHIM検出のための高確率な視線を特定するための予測ツールを提供すること。
• 実際のSDSSデータを用いて、予測されたWHIM密度が宇宙論的推定値の欠落バリオン分率と整合的かどうかを検証すること。

提案手法

• 高解像度EAGLEシミュレーションを用いて、宇宙フィラメント内における銀河光度密度とWHIM密度の空間相関をモデル化する。
• Bisousフィラメント探索アルゴリズムをEAGLEシミュレーションおよびSDSS DR12データの両方に対して適用し、構造定義を一貫させる。
• 平滑化されたLD（1〜300 Mpcスケール）とWHIM密度の間のスケーリング関係を構築し、68%信頼水準での散乱を定量化する。
• シミュレーションデータを用いてLD-WHIM関係を校正した後、観測されたSDSS DR12銀河データに適用し、低赤方偏移フィラメント内のWHIM密度を予測する。
• 関係式を用いて、SDSS領域内での宇宙バリオン密度のWHIM寄与割合を推定し、統計的および系貫的不確実性を考慮する。
• 予測されたWHIM密度を現在の欠落バリオン分率の観測推定値と比較することで、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙フィラメント内において、宇宙論的シミュレーションが予測するように、銀河光度密度とWHIM密度の間には強く予測可能な相関関係が存在するか？
• RQ2 EAGLEに基づくLD-WHIMスケーリング関係は、実際の観測データ（例：SDSS DR12）に信頼性を持って適用可能であり、大規模構造内でのWHIM質量を推定できるか？
• RQ3 LDに基づく手法で予測されたWHIM密度は、低赤方偏移宇宙における観測された欠落バリオン分率と一致するか？
• RQ4 光学的光度密度が、FUVおよびX線フォローアップ観測の標的選定を効率的に行うために、どの程度WHIM検出の代理指標として機能できるか？
• RQ5 LD-WHIMスケーリング関係から、SDSS領域におけるWHIMの宇宙バリオン予算への寄与はどの程度と推定されるか？

主な発見

• 銀河光度密度とWHIM密度の間には強い相関関係が存在し、LD過密度δLD = 1から300の範囲で68%の散乱が0.5デシベル未満である。
• EAGLEに基づくLD-WHIMスケーリング関係は、SDSS DR12データがカバーする領域で、宇宙バリオン密度の31±10%に相当するWHIM密度を的確に予測した。
• この予測値は、現在の観測推定値（宇宙バリオン予算の約30%〜50%）と整合的である。
• この手法により、SDSS領域の5.0%がWHIMフィラメントによって占められており、そのうち3.7%がδLD = 1〜300のフィラメントに対応していることが判明した。
• LD-WHIM関係は、光学的銀河サーベイを用いてWHIM相を追跡するための実用的で独立的かつスケーラブルな手法を提供し、FUVおよびX線バンドでの標的フォローアップを可能にする。
• この手法は、Athenaのような高コストの高エネルギーフォローアップミッションと、安価な光学サーベイの間で有望な相乗効果を生み出し、WHIM密度が最も高いと予測される視線を優先的に選定可能である。