[论文解读] Detection of missing baryons in galaxy groups with kinetic Sunyaev-Zel'dovich effect

Seunghwan Lim, H. J. Mo+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用叠加的普朗克宇宙微波背景（CMB）图和精确的本动速度数据，在星系团质量低至 log(M₅₀₀/M☉) ≈ 12.3 的情况下探测到了动力学松德维查诺夫-泽尔多维奇效应（kSZE）。结果表明，这些晕中的气体分数与宇宙普遍重子分数一致，证实了‘缺失重子’存在于温度为 10⁵–10⁶ K 的暖热星系间介质（WHIM）中，从而解决了长期存在的重子质量不平衡问题。

ABSTRACT

We present the detection of the kinetic Sunyaev-Zel'dovich effect (kSZE) signals from groups of galaxies as a function of halo mass down to $\log (M_{500}/{ m M_\odot}) \sim 12.3$, using the {\it Planck} CMB maps and stacking about $40,000$ galaxy systems with known positions, halo masses, and peculiar velocities. The signals from groups of different mass are constrained simultaneously to take care of projection effects of nearby halos. The total kSZE flux within halos estimated implies that the gas fraction in halos is about the universal baryon fraction, even in low-mass halos, indicating that the `missing baryons' are found. Various tests performed show that our results are robust against systematic effects, such as contamination by infrared/radio sources and background variations, beam-size effects and contributions from halo exteriors. Combined with the thermal Sunyaev-Zel'dovich effect, our results indicate that the `missing baryons' associated with galaxy groups are contained in warm-hot media with temperatures between $10^5$ and $10^6\,{ m K}$.

研究动机与目标

• 在质量低至 log(M₅₀₀/M☉) ≈ 12.3 的低质量星系团中探测动力学松德维查诺夫-泽尔多维奇效应（kSZE）。
• 确定低质量晕中‘缺失重子’是否存在于暖热星系间介质（WHIM）中。
• 检验kSZE测量结果对前景污染、光束弥散和投影效应等系统性影响的鲁棒性。
• 结合kSZE与热SZE结果，推断星系团晕中气体的温度与分布。

提出的方法

• 对约40,000个具有已知位置、晕质量和本动速度的星系团进行叠加，数据来自多波段巡天。
• 在三个频率波段对普朗克CMB温度图应用匹配滤波器，以分离kSZE信号，同时最小化光束和噪声效应。
• 通过在晕质量分箱中同时拟合，校正附近晕造成的视线方向投影效应。
• 利用重构的本动速度，假设其起源于整体流动，将kSZE振幅转换为电离气体质量。
• 开展广泛的系统性检验，包括残余涨落、tSZE污染、射电/红外源发射以及大尺度相干流动。
• 在后续研究中通过流体动力学模拟的光锥图验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 低质量星系团中的‘缺失重子’是否以暖热电离气体（WHIM）形式存在？
• RQ2 星系团中的气体分数是否在所有晕质量范围内均与普遍重子分数一致？
• RQ3 kSZE信号是否对光束弥散和前景污染等常见观测系统性误差具有鲁棒性？
• RQ4 kSZE推导的气体温度与X射线和热SZE测量推断的温度相比如何？
• RQ5 kSZE信号能否解释低热能含量与预期的virial加热之间的差异？

主要发现

• 在质量低至 log(M₅₀₀/M☉) ≈ 12.3 的星系团中，kSZE信号以高显著性被探测到，证实了低质量晕中存在整体运动。
• 推断的晕中气体分数在所有质量范围内均与普遍重子分数一致，表明‘缺失重子’在这些系统中已被完整解释。
• 通过多项系统性检验确认，结果对tSZE、射电/红外源、光束效应和大尺度流动的污染具有鲁棒性。
• 结合热SZE结果，数据表明低质量晕中气体温度约为 10⁵–10⁶ K，显著低于其virial温度。
• X射线和tSZE研究中观察到的低热能含量差异，可由低气体温度而非低重子质量来解释。
• 研究结果支持缺失重子存在于星系团WHIM相的假设，为kSZE提供了直接证据。