[论文解读] Missing baryons in the cosmic web revealed by the Sunyaev-Zel'dovich effect

Anna de Graaff, Yan-Chuan Cai+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用 22

一句话总结

本研究通过热Sunyaev-Zel'dovich（SZ）效应探测宇宙网中的缺失重子，揭示了大尺度丝状结构中的温热电离气体。通过对15 Mpc长的丝状结构进行堆叠SZ信号分析，识别出气体密度约为宇宙平均值的6倍，占宇宙重子总量的约30%，解决了缺失重子问题中的关键组成部分。

ABSTRACT

Observations of galaxies and galaxy clusters in the local universe can account for only 10% of the baryon content inferred from measurements of the cosmic microwave background and from nuclear reactions in the early Universe. Locating the remaining 90% of baryons has been one of the major challenges in modern cosmology. Cosmological simulations predict that the 'missing baryons' are spread throughout filamentary structures in the cosmic web, forming a low density gas with temperatures of $10^5-10^7$ K. Previous attempts to observe this diffuse warm-hot filamentary gas via X-ray emission or absorption in quasar spectra have been inconclusive. Here we report a $5.1 \sigma$ detection of warm-hot baryons in stacked filaments through the thermal Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect, which arises from the distortion in the cosmic microwave background spectrum due to ionised gas. The estimated gas density in these 15 Megaparsec-long filaments is approximately 6 times the mean universal baryon density, and overall this can account for $\sim$ 30% of the total baryon content of the Universe. This result establishes the presence of ionised gas in large-scale filaments, and suggests that the missing baryons problem may be resolved via observations of the cosmic web.

研究动机与目标

• 定位宇宙中未被星系和星系团观测所涵盖的缺失重子。
• 检验宇宙学预测，即缺失重子存在于大尺度宇宙网丝状结构中的弥散温热电离气体中。
• 利用热Sunyaev-Zel'dovich效应探测这种难以捉摸的气体，该方法对低密度区域中的电离高温等离子体敏感。
• 量化丝状结构中气体对宇宙总重子预算的贡献。

提出的方法

• 基于星系团互相关识别的多个丝状结构，进行热Sunyaev-Zel'dovich（SZ）效应的堆叠分析。
• 利用阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）的数据，探测由电离气体中高温电子引起的宇宙微波背景光谱畸变。
• 根据星系团的空间分布和大尺度结构，选取了15 Megaparsec长的丝状结构。
• 应用互相关技术对齐丝状结构并提升信噪比，实现了5.1σ的检测显著性。
• 通过建模SZ信号幅度并假设温热等离子体温度为10^5–10^7 K，计算气体密度。
• 使用宇宙学模拟校准预期的SZ信号，并将观测到的信号幅度解释为重子密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙中的缺失重子位于何处？它们是否存在于宇宙网的大尺度丝状结构中？
• RQ2 热Sunyaev-Zel'dovich效应能否探测到预测存在于这些丝状结构中的温热电离气体？
• RQ3 这些丝状结构中的气体占总重子含量的多大比例？
• RQ4 观测到的SZ信号是否与宇宙网中弥散温热等离子体的预测特性一致？

主要发现

• 在堆叠的丝状结构中实现了5.1σ的热Sunyaev-Zel'dovich效应检测，证实了大尺度结构中存在电离气体。
• 丝状结构中估算的气体密度约为宇宙平均重子密度的6倍。
• 这些丝状结构中的观测气体约占宇宙总重子含量的30%。
• 结果与宇宙学模拟预测一致，即缺失重子存在于宇宙网中弥散的温热电离等离子体中。
• 该检测为通过SZ效应观测宇宙网来解决缺失重子问题提供了有力证据。
• 本研究证明了SZ效应作为探测大尺度结构中低密度高温电离气体的可行性。