[논문 리뷰] The Atacama Cosmology Telescope: A search for late-time anisotropic screening of the Cosmic Microwave Background

William R. Coulton, Theo Schutt외 38명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 23.

Radio Astronomy Observations and Technology인용 수 8

한 줄 요약

본 논문은 CMB의 패치된 스크리닝을 탐지하기 위한 새로운 전경 강건 추정량을 도입하고, unWISE 은하들과의 >7σ 교차상관을 보고하여 은하 주변에 확장된 가스가 암흑 물질 헬로를 넘어 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

Since the formation of the first stars, most of the gas in the Universe has been ionized. Spatial variations in the density of this ionized gas generate cosmic microwave background anisotropies via Thomson scattering, a process known as the ``anisotropic screening'' effect. We propose and implement for the first time a new estimator to cross-correlate unWISE galaxies and anisotropic screening, as measured by the Atacama Cosmology Telescope and Planck satellite. We do not significantly detect the effect; the null hypothesis is consistent with the data at 1.7 $σ$ (resp. 0.016 $σ$) for the blue (resp. green) unWISE sample. We obtain an upper limit on the integrated optical depth within a 6 arcmin disk to be $\barτ< 0.033$ arcmin$^2$ at 95\% confidence for the blue sample and $\barτ< 0.057$ arcmin$^2$ for the green sample. Future measurements with Simons Observatory and CMB-S4 should detect this effect significantly. Complementary to the kinematic Sunyaev-Zel'dovich effect, this probe of the gas distribution around halos will inform models of feedback in galaxy formation and baryonic effects in galaxy lensing.

연구 동기 및 목표

• CMB의 패치된 스크리닝을 통해 우주에서의 가스 분포 연구를 동기부여한다.
• 패치된 스크리닝 측정에서 전경 바이어스를 완화하기 위한 강건한 추정량(사인 추정량)을 개발한다.
• CMB에서 도출된 패치된 스크리닝을 밀도 높은 은하 목록과 교차상관하여 홀들 주변의 가스를 탐사한다.
• 관찰된 가스 프로파일을 시뮬레이션과 비교하여 은하 형성 물리와 가스 분포를 추정한다.
• 패치된 스크리닝이 kSZ를 보완하고 은하 적색편이 정보가 필요하지 않음을 시연한다.

제안 방법

• Planck-Planck NILC CMB 맵을 ACT 데이터와 결합하여 고해상도 소규모 스케일의 CMB 맵을 형성한다.
• 대규모 CMB 맵의 부호 변환을 작은 규모의 CMB 변동에 곱하는 새로운 부호 추정량을 적용하여 패치된 스크리닝을 분리한다.
• unWISE 은하 위치에서 부호 가중 CMB 컷아웃을 스택하고 방향별 평균을 내려 1D 광학 깊이(오피스틱 깊이) 프로파일을 얻는다.
• 패치 신호를 포함하지 않는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 공분산과 유의성을 계산한다.
• 스택된 광학 깊이 프로파일에 두 파라미터 가우시안 모델을 적합시키고 AIC와 F-검정으로 모델 비교를 평가한다.
• 측정된 가스 프로파일을 Illustris, Illustris-TNG, SIMBA 시뮬레이션 및 kSZ 분석의 GNFW 프로파일과 비교한다.

Figure 1: High-pass filtered 2D stacked optical depth map, obtained by running the “sign” estimator on ACT data, at the positions of the unWISE blue sample. The optical depth map is convolved with the filter of Eq. ( 13 ), on top of the 1.6 ′ FWHM Gaussian ACT beam convolution. The visible excess in

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주요 전경이 지배적인 상황에서 부호 기반 추정량을 사용하여 패치된 스크리닝을 강건하게 검출할 수 있는가?
• RQ2 CMB 맵과의 교차상관에 의해 추정된 패치된 스크리닝으로부터 unWISE 은하 주변 전자들의 공간 분포는 어떤가?
• RQ3 은하 주변에서 관찰된 가스 프로파일이 암흑 물질 분포를 따르는가 아니면 피드백 과정으로 인한 확장 가스를 나타내는가?
• RQ4 관찰된 프로파일이 최첨단 유체역학적 시뮬레이션 및 GNFW 적합과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 파란색과 녹색 unWISE 샘플을 결합한 결과 광학 깊이 프로파일에 대한 영가설을 7.9σ로 기각한다.
• 은하 주변 광학 깊이 분포의 가우시안 모델은 영가설 대비 강력한 모델 증거를 제공한다(AIC): 파란색, 녹색, 결합: -39, -43, -71 각각; F-검정의 p-값은 0.003, 0.013, 0.0018이다.
• 측정된 가스 프로파일은 Illustris-TNG에서 유도된 암흑 물질 프로파일보다 더 확장되며, SIMBA 및 Illustris와 유사하되 동일하지 않게 확장된 가스에 해당한다.
• 데이터는 은하 주변에 점원천 분포가 아니라 확장된 가스를 선호한다.
• 사인-추정량 접근법은 전경 편향에 대한 강건성을 보여주며 적색편이나 속도 정보 없이 2D 은하 위치만 필요로 한다.
• 시뮬레이션과의 비교는 unWISE 은하 주변의 가스가 암흑 물질을 추적하지 않으며 피드백 과정에 대해 정보가 있음을 시사한다.

Figure 2: Stacked 1D profiles of the optical depth, obtained from the sign estimator, Section B.3 , applied to filtered CMB data stacked at the locations of galaxies. The points show the measurements of the unWISE red, green, blue and combined blue-green samples. These are obtained by azimuthally av