[论文解读] Calibration of Nonthermal Pressure in Global Dark Matter Simulations of Clusters of Galaxies

Paul Bode, Jeremiah P. Ostriker+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文利用宇宙学暗物质模拟，提出了一种校准的非热压模型，通过红移和质量相关的非热压分数，引入湍流气体运动。与标准流体静力平衡模型相比，该模型使预测的太阳-泽尔多维奇（SZ）功率谱降低了24%，与观测结果更吻合，提升了宇宙学分析中SZ模板的准确性。

ABSTRACT

We present a new method for incorporating nonthermal pressure from bulk motions of gas into an analytic model of the intracluster medium in clusters of galaxies, which is based on a polytropic equation of state and hydrostatic equilibrium inside gravitational potential wells drawn from cosmological dark matter simulations. The pressure is allowed to have thermal and nonthermal components with different radial distributions; the overall level of nonthermal support is based on the dynamical state of the halo, such that it is lower in more relaxed clusters. This level is normalized by comparison to pressure profiles derived from X-ray observations, and to a high resolution hydrodynamical simulation. The nonthermal pressure fraction measured at r_500 is typically in the range 10-20%, increasing with cluster mass and with redshift. The resulting model cluster properties are in accord with Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect observations of clusters. Inclusion of nonthermal pressure reduces the expected angular power spectrum of SZ fluctuations in the microwave sky by 24%.

研究动机与目标

• 解决微波天空中预测与观测的太阳-泽尔多维奇（SZ）功率谱之间的差异。
• 通过引入整体气体运动产生的非热压，改进基于流体静力平衡的星系团内介质（ICM）模型。
• 利用X射线观测和高分辨率流体动力学模拟，校准非热压的水平。
• 开发一种基于物理动机、与动力学状态相关的非热压模型，该模型随星系团质量和红移变化。
• 利用即将开展的毫米波和微波巡天，生成更精确的SZ信号模板，用于宇宙学参数估计。

提出的方法

• 使用来自全局宇宙学暗物质模拟的引力势阱来建模星系团晕。
• 采用多方状态方程，分别处理热压和非热压分量，各具有不同的径向分布。
• 基于动力学状态（稳定与非稳定）设定在r500处的非热压分数为10–20%，并随星系团质量和红移增加。
• 利用X射线观测和高分辨率流体动力学模拟对模型进行校准，以约束非热压水平。
• 使用校准后的模型计算SZ效应的角功率谱，并与标准流体静力平衡模型进行比较。
• 利用Luminous Red Galaxies（LRGs）的堆叠弱引力透镜质量测量，验证模型预测的SZ信号剖面与观测结果的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 整体气体运动引起的非热压如何影响太阳-泽尔多维奇（SZ）角功率谱预测幅度？
• RQ2 基于观测和模拟约束，星系团中非热压的合适径向和红移依赖关系是什么？
• RQ3 在理论SZ模板与观测微波天空功率谱之间存在张力的情况下，引入非热压能在多大程度上缓解这种张力？
• RQ4 星系团的动力学状态在多大程度上影响其外区的非热压支持水平？
• RQ5 一个经过校准的、基于物理动机的非热压模型能否提高基于SZ的宇宙学参数估计的准确性？

主要发现

• 在r500处，非热压分数通常为10–20%，并随星系团质量和红移增加。
• 与标准流体静力平衡模型相比，引入非热压使预测的热SZ角功率谱降低了24%。
• 该模型预测的SZ信号剖面与LRGs的观测堆叠信号在测量误差范围内一致，优于标准模型。
• SZ功率谱的降低主要源于星系团外区热压的降低，而非光谱形状或峰值尺度的变化。
• 尽管幅度降低，该模型在l ≈ 3000处仍保持类似的功率谱峰值，表明功率谱形状在很大程度上得以保留。
• 该模型缓解了但并未完全消除理论预测与SZ功率谱观测之间存在的张力。