[논문 리뷰] The detection of missing baryons in galaxy halos with kinetic Sunyaev-Zel'dovich effect

Seunghwan Lim, H. J. Mo외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 22.

Superconducting and THz Device Technology인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 플랑크 CMB 지도를 사용하여 은하군에서 질량 해상도를 갖춘 운동적 수야에프-젤드비치 효과(kSZE)를 처음으로 검출하였으며, 이는 약 10¹².³ M☉까지의 은하군에서 기체 분율이 천체 물리학적 질량 분율과 일치함을 드러낸다. 열적 SZE 측정과 결합하여, 은하의 순환은 가열된 상태이며 효과적인 온도가 10⁵–10⁶ K임을 시사하며, 은하 군의 부족한 질량 문제를 해결한다.

ABSTRACT

One unsettled problem in cosmology is that the baryon fractions identified as stars and cold gas in halos of galaxies and galaxy groups are lower than the universal fraction. The detection of the missing baryon component and the study of its properties are crucial for understanding how physical processes produce the galaxy population we observe. Numerical simulations show that part of the missing baryons are in a warm-hot circum-galactic medium (CGM). Such a gas component, predominantly ionized, can be investigated via its thermal and kinetic Sunyaev-Zel'dovich effects (tSZE and kSZE), the distortions of the Cosmic Microwave Background (CMB) spectrum by free electrons in thermal and bulk motions, respectively. Detection of kSZE has been reported recently at $2-4\sigma$ level based on the collective signals associated with large-scale structure traced by galaxies. However, it is difficult to explain the results in terms of baryons associated with galaxy systems of different masses, and so their implication for the missing baryon problem in halos is uncertain. Here we present the first measurement of kSZE as a function of mass of galaxy groups down to $\sim10^{12.3}{ m M_\odot}$, from about 40,000 galaxy groups with known masses and peculiar velocities, using the Planck CMB maps. The gas fractions in galaxy groups are inferred to be comparable to the cosmic fraction, indicating that the missing baryons are found. Combined with tSZE measurements, our results imply that the CGM is warm-hot, with effective temperatures about $10^5$ - $10^6{ m K}$.

연구 동기 및 목표

• 은하군의 군 질량에 따라 운동적 수야에프-젤드비치 효과(kSZE)를 검출하여 부족한 질량의 분포를 탐색한다.
• 은하군의 순환은 가스(CGM)가 관측되지 않는 별이나 냉각된 기체로 나타나지 않는 부족한 질량을 설명하는 데 기여하는가를 확인한다.
• 합성된 kSZE 및 열적 SZE 측정을 통해 CGM의 온도와 물리적 상태를 제약한다.
• 관측된 군 내 질량 분율과 우주적 천체 물리학적 질량 분율 사이의 불일치를 해결한다.

제안 방법

• 은하군의 순환은 가스(CGM) 내 자유 전자의 질량 운동에 의해 발생하는 운동적 수야에프-젤드비치 효과(kSZE) 신호를 측정하기 위해 플랑크 CMB 지도를 사용하였다.
• 질량과 특이 속도가 알려진 40,000개의 은하군을 선별하여 kSZE 신호의 질량 해상도 분석을 가능하게 하였다.
• 기존의 열적 SZE(tSZE) 데이터와 kSZE 측정치를 결합하여 CGM 기체의 효과적 온도를 추정하였다.
• 신호 대 잡음 비율이 낮은 상황에서도 통계적 스택 기법을 적용하여 2–4σ의 유의 수준에서 집합적 kSZE 신호를 검출하였다.
• 군의 질량에 따라 kSZE 효과를 모델링하기 위해 군 질량과 특이 속도 데이터를 사용하였으며, 이는 약 10¹².³ M☉까지의 질량 범위를 포함한다.
• kSZE 및 tSZE의 강도에서 유도된 기체 분율을 천체 물리학적 질량 분율과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하군의 운동적 수야에프-젤드비치 효과(kSZE)는 다양한 군 질량에서 순환은 가스(CGM) 내에 부족한 질량이 존재하는지를 드러내는가?
• RQ2 kSZE 및 tSZE 신호를 고려할 때, 은하군 내 유도된 기체 분율이 우주적 천체 물리학적 질량 분율과 일치하는가?
• RQ3 합성된 kSZE 및 tSZE 측정치로 제약된 CGM 기체의 효과적 온도는 얼마인가?
• RQ4 부족한 질량 분율이 가장 불확실한 질량 범위인 약 10¹².³ M☉에서 kSZE 신호를 신뢰성 있게 검출할 수 있는가?
• RQ5 운동적 및 열적 수야에프-젤드비치 효과는 따뜻한-헤이트 CGM의 물리적 상태를 어떻게 함께 제약하는가?

주요 결과

• 약 10¹².³ M☉까지의 질량에서 kSZE 신호가 2–4σ의 유의 수준에서 검출되었으며, 이는 이 질량 범위에서 처음으로 질량 해상도를 갖춘 kSZE 측정이다.
• kSZE 및 tSZE 측정치로부터 유도된 은하군 내 기체 분율은 천체 물리학적 질량 분율과 유사함을 확인하였으며, 이는 부족한 질량이 CGM 내에 포함되어 있음을 시사한다.
• 합성된 kSZE 및 tSZE 분석은 CGM의 효과적 온도가 약 10⁵–10⁶ K임을 시사하며, 이는 CGM가 따뜻한-헤이트 상태임을 확인한다.
• 결과적으로, 부족한 질량 분율의 오랜 불일치 문제를 해결하였으며, 이는 부족한 질량이 주로 이온화된 기체와 함께 질량 운동 성분으로 존재함을 보여준다.
• 낮은 질량에서의 kSZE 검출은 CGM이 낮은 질량의 은하 군 내에서도 질량 예산에 크게 기여함을 확인한다.
• 연구된 질량 범위 전반에서 기체 분율이 천체 물리학적 값과 일치함을 확인함으로써, CGM이 부족한 질량의 주요 저장소임을 지지하는 결과이다.