[논문 리뷰] Properties of the CGM and IGM: constraints on galaxy formation models from the Sunyaev-Zel'dovich effect

Sooil Lim, David J Barnes외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 z≈0에서 Planck 데이터의 수은-젤도프 효과(SZE)와 네 가지 천체역학적 시뮬레이션(Illustris, TNG300, EAGLE, Magneticum)을 사용하여 은하계간(CGM) 및 간성간(IGM) 기체의 관측 및 시뮬레이션된 성질을 비교한다. 관측된 기체 압력은 피드백으로 인해 자기유사 스케일링에서 벗어나며, 기체 분율은 우주 평균과 일치하지만, 관측된 온도는 시뮬레이션된 비르리얼 온도보다 최대 10배 낮아 핵심적인 불일치를 드러낸다. 이에 따라 기체 압력과 전자 밀도 프로파일을 더 잘 맞추기 위해 질량에 의존하는 새로운 일반화된 NFW 프로파일이 제안된다.

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.

연구 동기 및 목표

• z≈0에서 CGM 및 IGM의 물리적 성질을 관측 및 시뮬레이션 결과와 비교함으로써 은하 형성 모델을 제약한다.
• M500 ~ 10^12–13 M⊙ 질량의 군집에서 피드백이 기체 분포 및 압력에 미치는 영향을 조사한다.
• 관측된 SZE를 통한 기체 온도와 시뮬레이션된 비르리얼 온도 사이의 불일치를 해결한다.
• 군집 내 기체 압력 및 전자 밀도 프로파일을 위한 더 정확한 분석 모델을 개발한다.
• 대규모 스케일의 중력장이 예측이 유사한 모델들 간의 혼동을 풀 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• Planck CMB 지ap과 스ローン 디지털 천문대(Sloan Digital Sky Survey)의 군집 및 대규모 구조 데이터를 교차상관하여 SZE 신호 및 CGM 및 IGM 내 기체 성질을 유추한다.
• 네 가지 천체역학적 시뮬레이션(Illustris, TNG300, EAGLE, Magneticum)의 예측과 관측된 기체 압력, 온도, 밀도 프로파일을 비교한다.
• 군집 질량과 대규모 스케일의 중력장에 따른 기체 성질의 의존성을 분석하여 모델 간의 혼동을 풀 수 있도록 한다.
• 표준 일반화된 NFW(GNFW) 프로파일이 시뮬레이션 데이터에 비해 얼마나 적합한지 평가한다.
• 시뮬레이션된 기체 압력 및 전자 밀도 프로파일에 더 잘 맞는 새로운 질량에 의존하는 일반화된 NFW 모델을 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SZE를 통해 유도된 관측된 CGM 및 IGM 기체 성질은 천체역학적 시뮬레이션의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 왜 관측된 SZE를 통한 온도는 시뮬레이션된 비르리얼 온도보다 최대 한 계급 낮아지는가?
• RQ3 피드백은 M500 ~ 10^12–13 M⊙ 질량의 군집 내 기체 압력과 분포에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 표준 GNFW 프로파일은 군집 내 시뮬레이션된 기체 압력 및 전자 밀도 프로파일을 정확하게 묘사할 수 있는가?
• RQ5 대규모 스케일의 중력장은 기체 성질에 어떤 영향을 미치며, 예측이 유사한 시뮬레이션들을 구분하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• M500 ~ 10^12–13 M⊙ 인 군집에서 관측된 기체 압력은 자기유사 스케일링에서 벗어나며, 피드백이 이 범위의 군집에 상당한 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• M500 ~ 10^12–14.5 M⊙ 범위의 모든 군집에서 관측된 기체 분율은 우주의 기체 분율과 일치하여, 기초 물질의 순순이나 손실이 거의 없다는 것을 시사한다.
• 관측된 SZE를 통한 온도는 시뮬레이션된 비르리얼 온도보다 최대 한 계급 낮아, 관측과 시뮬레이션 사이에 중대한 불일치가 있음을 나타낸다.
• 모든 테스트된 시뮬레이션은 평균 기체 온도가 비르리얼 온도 근처에 있다고 예측하지만, 이는 SZE 관측 결과와 일치하지 않는다.
• 표준 일반화된 NFW 프로파일은 시뮬레이션된 기체 압력 및 전자 밀도 프로파일을 정확히 묘사하지 못하며, 새로운 모델이 필요하다.
• 기체 압력 및 전자 밀도 프로파일에 대해 시뮬레이션 결과를 더 잘 맞추는 데 성공한 새로운 질량에 의존하는 일반화된 NFW 모델이 제안된다.