[論文レビュー] Weak lensing combined with the kinetic Sunyaev Zel'dovich effect: A study of baryonic feedback

L. Bigwood, A. Amon+123 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2024

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、弱引力レンズ（WL）とアタカマ・コスモロジー望遠鏡DR5の運動的サニャエフ＝ツェルドビッチ効果（kSZ）データを組み合わせ、柔軟な「バリオン化（baryonification）」モデルを用いて、宇宙論的およびバリオン性フィードバックパラメータを共同で制約する。得られたS8値は0.823+0.019−0.020と、WLのみの解析よりも高い値であり、多数の流体力学的シミュレーションが予測するよりも極端なバリオン性フィードバックを示唆している。また、予想よりも低いバリオンおよびガス質量分率が示され、X線ベースの校正と矛盾する可能性を示している。

ABSTRACT

ABSTRACT Extracting precise cosmology from weak lensing surveys requires modelling the non-linear matter power spectrum, which is suppressed at small scales due to baryonic feedback processes. However, hydrodynamical galaxy formation simulations make widely varying predictions for the amplitude and extent of this effect. We use measurements of Dark Energy Survey Year 3 weak lensing (WL) and Atacama Cosmology Telescope DR5 kinematic Sunyaev–Zel’dovich (kSZ) to jointly constrain cosmological and astrophysical baryonic feedback parameters using a flexible analytical model, ‘baryonification’. First, using WL only, we compare the $S_8$ constraints using baryonification to a simulation-calibrated halo model, a simulation-based emulator model, and the approach of discarding WL measurements on small angular scales. We find that model flexibility can shift the value of $S_8$ and degrade the uncertainty. The kSZ provides additional constraints on the astrophysical parameters, with the joint WL + kSZ analysis constraining $S_8=0.823^{+0.019}_{-0.020}$. We measure the suppression of the non-linear matter power spectrum using WL + kSZ and constrain a mean feedback scenario that is more extreme than the predictions from most hydrodynamical simulations. We constrain the baryon fractions and the gas mass fractions and find them to be generally lower than inferred from X-ray observations and simulation predictions. We conclude that the WL + kSZ measurements provide a new and complementary benchmark for building a coherent picture of the impact of gas around galaxies across observations.

研究の動機と目的

• 複数のプローブを組み合わせることで、弱引力レンズ調査におけるバリオン性フィードバックに起因する宇宙論的不確実性を低減すること。
• kSZ測定が、弱引力レンズ単独での制約を超えて、天体物理学的フィードバックパラメータの制約を改善できるかどうかを検証すること。
• バリオン化モデルの観測データおよび流体力学的シミュレーションとの整合性を評価すること。
• 現在のフィードバックモデルが、特にガス分布およびパワースペクトルの抑制に関して、WL + kSZの共同制約と整合しているかどうかを調査すること。

提案手法

• 本研究は、非線形物質パワー スペクトルにバリオン性フィードバック効果を組み込む柔軟なパラメータ化である「バリオン化（baryonification）」解析モデルを採用している。
• DES Y3の弱引力レンズシェア測定と、ACT DR5のkSZ温度相互相関を組み合わせ、宇宙論的および天体物理学的パラメータを同時に制約している。
• モデルは、小スケール（k ≳ 0.1 h Mpc⁻¹）における物質パワー スペクトルのフィードバック駆動による抑制を、フィードバックの強度とスケールでパrameter化している。
• 階層ベイズ推論フレームワークを用いて、WLとkSZデータを同時にフィットしており、事前分布はシミュレーションおよび外部観測から得られている。
• バリオン化モデルの結果を、ホールモデル、エミュレータベースのシミュレーション、およびWLデータにおけるスケールカットという代替手法と比較している。
• モデルのロバストネスを検証し、宇宙論的制約に及ぼす潜在的バイアスを評価するために、モックシミュレーションが用いられている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 kSZと弱引力レンズデータを組み合わせることで、弱引力レンズ単独の場合と比較してS8の制約が改善され、CMB予測値に近づくか？
• RQ2 WL + kSZの共同解析から得られる推定されたバリオン質量分率およびガス質量分率は、X線観測および流体力学的シミュレーションからの値とどのように異なるか？
• RQ3 バリオン化モデルは、シミュレーションベースの事前分布やスケールカットと比較して、宇宙論的パラメータの不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ4 WL + kSZから推定される物質パワー スペクトルの抑制度合いは、現在の流体力学的シミュレーションの予測と整合しているか？
• RQ5 kSZ測定は、弱引力レンズ単独で得られる情報を超えて、フィードバック強度およびガス分布に関する独立した制約を提供できるか？

主な発見

• 共同解析により、S8 = 0.823+0.019−0.020が得られ、これは弱引力レンズ単独での結果よりも高い値であり、CMBベースの予測との食い違いが軽減されていることを示唆している。
• 非線形物質パワー スペクトルの抑制は、多数の流体力学的シミュレーションが予測するよりも顕著であり、より強いバリオン性フィードバックを示唆している。
• 平均バリオン質量分率およびガス質量分率は、X線観測およびシミュレーションの校正から得られる値よりも低いことが制約された。
• kSZデータは、天体物理学的パラメータの制約に重要な追加情報を提供し、フィードバックモデリングの不確実性を低減するとともに、S8の事後分布をシフトさせた。
• 結果は、WL + kSZデータとX線ベースの校正との間に潜在的な矛盾を示唆しており、特に銀河団やクラスタの外縁部で顕著である。
• バリオン化モデルは、バイアスを導入することなくフィードバック効果を的確に捉える柔軟性を示しており、シミュレーションベースの事前分布に対する堅牢な代替手法を提供している。