[論文レビュー] The impact of halo concentration on the Sunyaev Zel'dovich effect signal from massive galaxy clusters

Eric J. Baxter, Shivam Pandey+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 89被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、質量の大きな銀河団におけるホール濃度がサブサヤエーツェルドビューチェ＝ゼルドビーチ（SZ）効果信号に与える影響を調査し、標準的な多変化則気体モデルがR ≈ 0.75R₂₀₀cを超える領域における外側のSZプロファイルおよびY–c関係を予測できないことを示している。本研究では、スプラッシュパッケージ半径で単純な切断モデルを導入することで、シミュレーションとの一致を著しく向上させ、濃度依存性を無視した場合でもスプラッシュパッケージ半径推定のバイアスを≤2%に抑えることに成功した。

ABSTRACT

The Sunyaev Zel'dovich (SZ) effect is sensitive to the pressure of ionized gas inside galaxy clusters, which is in turn controlled largely by the gravitational potential of the cluster. Changing the concentration parameter describing the cluster mass distribution impacts the gravitational potential and thus the cluster SZ signal, with implications for cosmological and other analyses of SZ-selected clusters. We investigate the concentration-SZ relation in theory and simulations. We find that the impact of concentration on the inner SZ profile ($R \lesssim 0.75 R_{200c}$) can be captured with standard polytropic gas models. However, we find that such models do a poor job of reproducing the outer SZ profiles ($R \gtrsim 0.75 R_{200c}$) and the relation between the integrated SZ signal, $Y$, and concentration. This disagreement results from a sharp truncation of the gas pressure profile near the splashback radius, likely caused by virial shocks. We develop a simple description of the truncation that leads to a good match with the simulated SZ profiles out to several $R_{200c}$ for clusters of varying mass and concentration, and that also accurately predicts the concentration-$Y$ relationship. Finally, we determine how inference of the linear bias parameter and splashback radius for SZ-selected clusters can be biased by ignoring the concentration dependence of the SZ signal, finding that bias to the former is essentially negligible, while bias to the latter can be as much as 2\%.

研究の動機と目的

• 質量の大きな銀河団におけるホール濃度が、特に内部領域を越えた領域でSZ信号に与える影響を理解すること。
• 標準的な多変化則気体モデルが、外側のSZプロファイルおよび統合されたY–c関係を再現できない理由を特定すること。
• スプラッシュパッケージ半径付近での圧力プロファイルの切断を捉える物理的に妥当なモデルを構築すること。
• SZ選択銀河団サンプルから線形バイアスおよびスプラッシュパッケージ半径を推定する際、濃度依存性を無視した場合の影響を評価すること。

提案手法

• 著者らは、The Three Hundredプロジェクトの宇宙論的流体力学的シミュレーションを用いて、さまざまなホール質量および濃度におけるSZプロファイルおよびY–c関係を測定した。
• 標準的な多変化則気体モデルの予測と比較することで、外側領域（R > 0.75R₂₀₀c）における系のずれを特定した。
• 自己相似的降着モデルおよびバリアル衝撃の物理に基づいて、スプラッシュパッケージ半径で圧力プロファイルに急激な切断を適用する新しいモデルを導入した。
• 切断は、スプラッシュパッケージ半径で最大の勾配を示す圧力の急低下として実装され、切断半径はシミュレーションで得られたスプラッシュパッケージ半径に一致させた。
• モデルの妥当性は、シミュレーションによるSZプロファイルおよびY–c関係との比較を通じて検証され、多変化則モデルに比べて高い精度を示した。
• 著者らは、このモデルを用いて、SZ選択銀河団サンプルにおいて濃度依存性を無視した場合の線形バイアスおよびスプラッシュパッケージ半径推定におけるバイアスを定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な多変化則モデルが崩壊するR ≈ 0.75R₂₀₀cを超える領域で、ホール濃度はSZ信号プロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 なぜ多変化則気体モデルは、特に低濃度領域で観測されたY–c関係を再現できないのか？
• RQ3 スプラッシュパッケージ半径で圧力プロファイルを単純に切断することで、シミュレーションされた外側のSZプロファイルおよびY–c関係を説明できるか？
• RQ4 SZ信号の濃度依存性を無視した場合、SZ選択銀河団の推定線形バイアスにどのような影響を与えるか？
• RQ5 Yに対する濃度効果を無視した場合、スプラッシュパッケージ半径推定におけるバイアスはどの程度の大きさか？

主な発見

• 標準的な多変化則気体モデルは、内側のSZプロファイル（R ≤ 0.75R₂₀₀c）を正確に予測できるが、圧力の切断がモデルに組み込まれていないため、外側のプロファイル（R > 0.75R₂₀₀c）を再現できない。
• 多変化則モデルが低濃度領域でY–c関係を再現できない原因は、スプラッシュパッケージ半径付近に物理的切断機構が欠如していることに起因する。
• スプラッシュパッケージ半径で圧力プロファイルに急激かつ最大勾配の切断を適用する単純なモデルが、シミュレーションされたSZプロファイルおよびY–c関係と優れた一致を示した。
• このモデルは、統合SZ信号の濃度依存性を的確に捉えており、標準的な多変化則モデルに比べて予測精度が向上した。
• Y–c関係を無視した場合、スプラッシュパッケージ半径推定におけるバイアスは最大で2%にとどまり、線形バイアス推定のバイアスは1%未満に抑えられた。
• スプラッシュパッケージ半径推定における2%のバイアスは、今後CMBステージ4のようなCMB調査で約10⁵個の銀河団を検出する予定であるため、重要である可能性がある。