[论文解读] Cosmological Constraints from Gas Mass Fractions of Massive, Relaxed Galaxy Clusters

A. Mantz, S. W. Allen+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 79被引用 59

一句话总结

本研究利用44个大质量、动力学松弛的星系团中的气体质量分数（𝑓gas）改进宇宙学约束，借助更深层的钱德拉X射线观测，新增高红移星系团（𝑧 = 0.97, 1.16），并精确测量了低红移的英仙座星系团（𝑧 = 0.018）。增强的红移基线显著降低了暗能量约束的不确定性，得出非平坦ΛCDM模型中ΩΛ = 0.865 ± 0.119，平坦常数𝑤模型中𝑤 = −1.13+0.17−0.20，分别比以往工作收紧了41%和29%。

ABSTRACT

We present updated cosmological constraints from measurements of the gas mass fractions ($f_{gas}$) of massive, dynamically relaxed galaxy clusters. Our new data set has greater leverage on models of dark energy, thanks to the addition of the Perseus Cluster at low redshifts, two new clusters at redshifts $z>0.97$, and significantly longer observations of four clusters at $0.6<z<0.9$. Our low-redshift ($z<0.16$) $f_{gas}$ data, combined with the cosmic baryon fraction measured from the cosmic microwave background (CMB), imply a Hubble constant of $h = 0.722 \pm 0.067$. Combining the full $f_{gas}$ data set with priors on the cosmic baryon density and the Hubble constant, we constrain the dark energy density to be $\Omega_\Lambda = 0.865 \pm 0.119$ in non-flat $\Lambda$CDM (cosmological constant) models, and its equation of state to be $w = -1.13_{-0.20}^{+0.17}$ in flat, constant-w models, respectively 41 and 29 per cent tighter than our previous work, and comparable to the best constraints available from other probes. Combining $f_{gas}$, CMB, supernova, and baryon acoustic oscillation data, we also constrain models with global curvature and evolving dark energy. For the massive, relaxed clusters employed here, we find the scaling of $f_{gas}$ with mass to be consistent with a constant, with an intrinsic scatter that corresponds to just 3 per cent in distance.

研究动机与目标

• 本研究的主要目标是利用大质量、动力学松弛星系团中的气体质量分数（𝑓gas）改进对暗能量的宇宙学约束。
• 通过引入新的高红移星系团（𝑧 = 0.97, 1.16）和对0.6 < 𝑧 < 0.9区间内现有星系团的更深层观测，提升𝑓gas数据的红移基线。
• 通过结合低红移𝑓gas测量与宇宙微波背景（CMB）对重子分数的测量，进一步收紧对哈勃常数的约束。
• 本研究旨在检验𝑓gas与星系团质量的标定关系是否一致，并评估固有离散度，以最小化系统性不确定性。
• 评估将𝑓gas方法拓展至探测演化暗能量和非平坦宇宙学模型的可行性。

提出的方法

• 本分析利用深度钱德拉X射线观测，测量44个大质量、动力学松弛星系团中的气体质量分数（𝑓gas = 𝑀gas/𝑀tot）。
• 将X射线数据与弱引力透镜测量相结合，以标定星系团总质量，降低对流体静力学平衡假设的依赖。
• 采用SPA（对称性-峰度-对齐）标准仅选取最松弛的星系团，以最小化形态学系统性误差。
• 通过将观测到的𝑓gas与来自CMB测量的宇宙重子分数（Ωb/Ωm）进行比较，推导宇宙学约束，假设𝑓gas随红移的演化可忽略。
• 采用幂律参数化形式建模𝑓gas的红移演化，其中在𝑧 = 0处自由设定归一化值，并引入斜率参数以检验质量或红移依赖性。
• 利用分层贝叶斯框架对质量标定、气体温度和固有离散度等系统性不确定性进行建模并进行边缘化处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 更新后的𝑓gas测量值（基于更深层观测和新增高红移星系团）在多大程度上改进了对暗能量的约束？
• RQ2 将英仙座星系团（𝑧 = 0.018）纳入分析在多大程度上增强了低红移基线，并收紧了对哈勃常数的约束？
• RQ3 在星系团样本中，𝑓gas的固有离散度是多少？其与距离不确定性的关系如何？
• RQ4 在0.8–1.2 𝑟2500半径范围内，𝑓gas是否表现出显著的质量依赖性？这对宇宙学建模有何含义？
• RQ5 当与CMB、超新星和重子声学振荡数据结合时，更新后的𝑓gas约束与其它宇宙学探针相比如何？

主要发现

• 新增英仙座星系团（𝑧 = 0.018）和两个高红移星系团（𝑧 = 0.97, 1.16）显著提升了𝑓gas演化研究的红移基线。
• 在非平坦ΛCDM模型中，暗能量密度的约束收紧至ΩΛ = 0.865 ± 0.119，相比以往工作改善了41%。
• 在平坦常数𝑤模型中，暗能量状态方程的约束改善为𝑤 = −1.13+0.17−0.20，相比先前结果收紧了29%。
• 𝑓gas–质量关系的固有离散度测量为𝜎𝑓 = 0.043+0.020−0.032，相当于距离估计中仅约3%的离散度。
• 𝑓gas随质量的幂律斜率被约束为𝛼 = 0.025 ± 0.033，表明在0.8–1.2 𝑟2500范围内无显著质量依赖性。
• 当与CMB、超新星和BAO数据结合时，结果与平坦ΛCDM模型一致，未发现演化暗能量或空间曲率的证据。