[论文解读] Determining the Baryon Impact on the Matter Power Spectrum with Galaxy Clusters

S. Grandis, Giovanni Aricò+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2023

High-Energy Particle Collisions Research被引用 4

一句话总结

本研究利用星系团气体和恒星质量分数的实证约束，以及高分辨率X射线电子密度剖面，校准半解析的重子修正模型（BCM），以亚百分之一精度预测物质功率谱的抑制。在k=1 h Mpc⁻¹处，抑制程度为4.2–4.9%；在k=3 h Mpc⁻¹处，抑制程度为18.4–17.9%。在k<0.37 h Mpc⁻¹时，重子反馈贡献的抑制小于1%，挑战了其在缓解S8张力问题中的作用。

ABSTRACT

The redistribution of baryonic matter in massive halos through processes like active galactic nuclei feedback and star formation leads to a suppression of the matter power spectrum on small scales. This redistribution can be measured empirically via the gas and stellar mass fractions in galaxy clusters, and leaves imprints on their electron density profiles. We constrain two semi-analytical baryon correction models with a compilation of recent Bayesian population studies of galaxy groups and clusters sampling a mass range above $\sim 3 imes 10^{13}$ $M_\odot$, and with cluster gas density profiles derived from deep, high-resolution X-ray observations. We are able to fit all the considered observational data, but highlight some anomalies in the observations. The constraints allow us to place precise, physically informed priors on the matter power spectrum suppression. At a scale of $k=1 h$ Mpc$^{-1}$ we find a suppression of $0.042^{+0.012}_{-0.014}$ ($0.049^{+0.016}_{-0.012}$), while at $k=3h$ Mpc$^{-1}$ we find $0.184^{+0.026}_{-0.031}$ ($0.179^{+0.018}_{-0.020}$), depending on the model used. In our fiducial setting, we also predict at 97.5 percent credibility, that at scales $k&lt;0.37h$ Mpc$^{-1}$ baryon feedback impacts the matter power less than $1\%$. This puts into question if baryon feedback is the driving factor for the discrepancy between cosmic shear and primary CMB results. We independently confirm results on this suppression from small-scale cosmic shear studies, while we exclude some hydro-dynamical simulations with too strong and too weak baryonic feedback. Our empirical prediction of the power spectrum suppression shows that studies of galaxy groups and clusters will be instrumental in unlocking the cosmological constraining power of future cosmic shear experiments like extit{Euclid} and Rubin-LSST, and invites further investigation of the baryon correction models.

研究动机与目标

• 利用星系团的观测数据实证约束重子反馈对物质功率谱的影响。
• 通过多波段星系团观测校准重子修正模型（BCM），以减少弱引力透镜和宇宙弱引力透镜实验中的理论不确定性。
• 检验重子反馈是否足以解释宇宙弱引力透镜与原初CMB测量之间的S8张力。
• 基于其反馈强度与实证约束的对比，验证并排除流体动力学模拟。
• 为未来宇宙学巡天（如Euclid和Rubin-LSST）提供精确且具有物理解释的物质功率谱抑制的先验信息。

提出的方法

• 本研究采用两种半解析重子修正模型（bacco和S19），通过反馈和恒星形成过程建模晕中重子的再分布。
• 利用贝叶斯推断，基于质量分数测量（来自弱引力透镜约束的星系群和星系团，质量大于3×10¹³ M☉）的综合数据集，对模型参数进行约束。
• 引入高分辨率X射线电子密度剖面观测（例如Ghirardini等人2019年的研究）以进一步约束模型。
• 通过将重子反馈效应应用于纯引力N体模拟，预测非线性物质功率谱的抑制。
• 利用后验预测检验评估模型与数据的一致性，并识别和处理观测中的异常情况。
• 将结果与流体动力学模拟（如OWLS）及小尺度宇宙弱引力透镜约束进行比较，以验证并排除不一致的模型。

Figure 1: Approximate mass distributions of the galaxy cluster and group samples used. These distributions are not used in our inference and are presented for visualisation purposes only. Our compilation of studies samples the mass range $M_{500\text{c}}\gtrapprox 3\times 10^{13}$ $M_{\odot}$ . Sour

实验结果

研究问题

• RQ1 在实证星系团数据约束下，重子反馈在小尺度上对物质功率谱的抑制程度如何？
• RQ2 重子修正模型（bacco和S19）能否同时拟合星系团中的气体和恒星质量分数以及电子密度剖面？
• RQ3 重子反馈是否足以解释宇宙弱引力透镜与原初CMB测量之间的S8张力？
• RQ4 实证约束与不同反馈强度的流体动力学模拟预测相比如何？
• RQ5 在k=1 h Mpc⁻¹和k=3 h Mpc⁻¹处，以高可信度可预期的物质功率谱抑制水平是多少？

主要发现

• 在k=1 h Mpc⁻¹处，物质功率谱抑制被约束为0.042⁺⁰.⁰¹²₋₀.⁰¹⁴（bacco模型）和0.049⁺⁰.⁰¹⁶₋₀.⁰¹²（S19模型）。
• 在k=3 h Mpc⁻¹处，抑制程度为0.184⁺⁰.⁰²⁶₋₀.⁰³¹（bacco）和0.179⁺⁰.⁰¹⁸₋₀.⁰²⁰（S19），两模型结果高度一致。
• 在97.5%可信度下，重子反馈在k<0.37 h Mpc⁻¹尺度上的贡献抑制小于1%，表明其对大尺度影响极小。
• 实证约束排除了反馈过强或过弱的流体动力学模拟，其中OWLS模拟与实证结果最接近。
• 预测的抑制水平与小尺度宇宙弱引力透镜研究结果一致，证实了其经验有效性。
• 重子反馈不太可能解决S8张力问题，因为其所需的抑制程度过小，不足以解释观测到的差异。

Figure 2: Top: Prediction for the gas (magenta) and stellar (orange) mass fraction together with the fitted data points from the cluster analyses considered. We show the 1 sigma region as filled and represent also the 2 sigma region with faded lines. Bottom: Prediction for the mass slope of the gas