[论文解读] Mass modeling of galaxy clusters: quantifying hydrostatic bias and contribution from non-thermal pressure

Davidé Martizzi, Harrison Agrusa|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 11

一句话总结

本文提出了一种基于高分辨率宇宙学AMR模拟的新经验模型，用于描述星系团中的非热压力，显著降低了基于X射线和Sunyaev-Zel'dovich效应的质量重建中的准静态质量偏差。该模型基于模拟的ICM密度剖面标定，通过考虑非热压力支持，消除了10–20%的质量低估，从而改善了精确宇宙学中星系团质量校准。

ABSTRACT

Galaxy cluster mass determinations achieved using X-ray and Sunyaev-Zel'dovich data combined with the assumption of hydrostatic equilibrium are generally biased. The bias exists for two main reasons: non-thermal pressure forces are expected to contribute to the overall pressure balance and deviations from spherical symmetry and hydrostatic equilibrium can be present. In this paper, we use a sample of zoom-in hydrodynamical simulations of galaxy clusters to measure the magnitude of hydrostatic bias and the non-thermal contribution to the total pressure. We propose a new empirical model for non-thermal pressure based on our simulations that can be applied to observations. We show that our model can be successfully applied to remove most of the bias related to neglection of non-thermal pressure, which is usually not included in hydrostatic cluster mass profile reconstructions. The use of this model may significantly improve the calibration of cluster scaling relations that are a key tool for cluster cosmology.

研究动机与目标

• 利用X射线和SZ数据进行星系团质量重建时，解决持续存在的准静态质量偏差问题。
• 量化非热压力（湍流、集体运动）在星系团晕中对ICM压力支持的贡献。
• 基于模拟的ICM密度，开发一种经验性、可应用于观测数据的非热压力模型，以校正质量偏差。
• 提高大型巡天中对宇宙学参数估计至关重要的星系团标度关系的准确性。
• 评估在考虑非热压力后，准静态平衡和球对称性假设在质量重建中的局限性。

提出的方法

• 利用来自rameses代码的10个高分辨率星系团zoom-in宇宙学AMR模拟，包含AGN反馈。
• 在仅假设热压力的前提下计算准静态质量剖面，并与模拟中的真实引力质量剖面对比。
• 将准静态质量与真实质量之间的偏差（偏差）作为半径的函数进行量化，发现在0.1–2R₅₀₀范围内存在10–20%的质量低估。
• 测量非热压力作为ICM密度的函数，发现在外区其占总压力的20–40%。
• 提出经验模型：fₙₜ(P) = α × ρⁿ，其中fₙₜ为非热压力分数，ρ为ICM密度，该模型基于模拟数据标定。
• 将该模型应用于校正准静态质量剖面，证明其在无需速度 dispersion 测量的情况下显著降低了偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在质量重建中仅假设热压力时，星系团的准静态质量偏差有多大？
• RQ2 非热压力（湍流、集体运动）在ICM中，特别是在大半径区域，对压力支持的贡献有多大？
• RQ3 基于ICM密度的简单经验模型能否准确预测非热压力，以校正准静态偏差？
• RQ4 校正非热压力后，准静态质量与真实质量之间的差异能减少到何种程度？
• RQ5 即使在考虑非热压力后，准静态平衡和球对称性假设的局限性仍有多大？

主要发现

• 在0.1R₅₀₀至2R₅₀₀半径范围内，仅假设热压力进行准静态质量重建时，星系团质量被低估10–20%。
• 在外部区域（R₅₀₀ < r < 2R₅₀₀），非热压力贡献了总压力支持的20–40%，主要来自集体运动和湍流。
• 所提出的基于ICM密度的非热压力经验模型，在模拟中成功消除了大部分准静态质量偏差。
• 该模型避免依赖速度 dispersion，相比以往的解析模型，更易于应用于观测数据。
• 即使在非热压力校正后，由于准静态平衡和球对称性假设的限制，仍存在5–10%的残余质量偏差。
• 由于分辨率限制，模拟可能低估了真实的非热压力贡献，表明真实观测中的偏差可能更高。