[论文解读] Properties of the CGM and IGM: constraints on galaxy formation models from the Sunyaev-Zel'dovich effect

Sooil Lim, David J Barnes+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2020

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

一句话总结

本研究利用普朗克卫星的太阳亚诺夫-泽尔多维奇效应（SZE）数据与四个宇宙学流体动力学模拟（Illustris、TNG300、EAGLE、Magneticum），比较了 z≈0 时星系晕（CGM）和星系间介质（IGM）气体的观测与模拟性质。研究发现，由于反馈作用，观测到的气体压强偏离了自相似标度，气体分数与宇宙平均值一致，但观测到的温度比模拟的 virial 温度低多达十倍，凸显了关键差异。为此提出了一种新的质量依赖型广义 NFW 模型，以更准确地拟合模拟的气体压强与电子密度分布。

ABSTRACT

We present a comparison of the physical properties of the gas in the circumgalactic (CGM) and intergalactic (IGM) media at $z\sim0$ between observations and four cosmological hydrodynamical simulations: Illustris, TNG300 of the IllustrisTNG project, EAGLE, and one of the Magneticum simulations. For the observational data, we use the gas properties that are inferred from cross-correlating the Sunyaev-Zel'dovich effect (SZE) from the {\it Planck} CMB maps with the haloes and the large-scale structure reconstructed from Sloan Digital Sky Survey data. Both the observational and simulation results indicate that the integrated gas pressure in haloes deviates from the self-similar case, showing that feedback impacts haloes with $M_{500}\sim 10^{12-13}\,{ m M_\odot}$. The simulations predict that more than half the baryons are displaced from haloes, while the gas fraction inferred from our observational data roughly equals the cosmic baryon fraction throughout the $M_{500}\sim 10^{12-14.5}\,{ m M_\odot}$ halo mass range. All simulations tested here predict that the mean gas temperature in haloes is about the virial temperature, while that inferred from the SZE is up to one order of magnitude lower than that from the simulations (and also from X-ray observations). While a remarkable agreement is found for the average properties of the IGM between the observation and some simulations, we show that their dependence on the large-scale tidal field can break the degeneracy between models that show similar predictions otherwise. Finally, we show that the gas pressure and the electron density profiles from simulations are not well described by a generalized NFW (GNFW) profile. Instead, we present a new model with a mass-dependent shape that fits the profiles accurately.

研究动机与目标

• 通过比较 z≈0 时 CGM 和 IGM 气体的观测与模拟物理性质，约束星系形成模型。
• 研究反馈对质量为 M500 ~ 10^12–13 M⊙ 的晕中气体分布与压强的影响。
• 解决由 SZE 推导的观测气体温度与模拟 virial 温度之间的差异。
• 开发更精确的晕中气体压强与电子密度分布的解析模型。
• 评估大尺度潮汐场如何打破预测相近的模型之间的混淆。

提出的方法

• 将普朗克 CMB 图像与史隆数字巡天的晕和大尺度结构数据进行交叉相关，以推断 CGM 和 IGM 中的 SZE 信号及气体性质。
• 将观测到的气体压强、温度与密度分布与四个宇宙学流体动力学模拟（Illustris、TNG300、EAGLE、Magneticum）的预测进行比较。
• 分析气体性质对晕质量与大尺度潮汐场的依赖关系，以打破模型混淆。
• 评估标准广义 NFW（GNFW）模型对模拟数据的适用性，以判断其是否能准确描述气体分布。
• 开发一种新的、质量依赖型广义 NFW 模型，使其更符合模拟的压强与电子密度分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 SZE 推导的 CGM 和 IGM 气体性质与宇宙学流体动力学模拟的预测相比如何？
• RQ2 为何观测到的 SZE 推导温度比模拟的 virial 温度低多达一个数量级？
• RQ3 反馈在多大程度上改变了质量为 M500 ~ 10^12–13 M⊙ 的晕中气体压强与分布？
• RQ4 标准 GNFW 模型能否准确描述晕中模拟的气体压强与电子密度分布？
• RQ5 大尺度潮汐场如何影响气体性质，并有助于区分预测相近的模拟？

主要发现

• 观测到的晕中气体压强偏离自相似标度，表明反馈对 M500 ~ 10^12–13 M⊙ 晷有显著影响。
• 在 M500 ~ 10^12–14.5 M⊙ 范围内，观测到的晕中气体分数与宇宙重子分数一致，表明重子物质无显著净损失或增益。
• 观测到的 SZE 推导温度比模拟的 virial 温度低多达一个数量级，表明观测与模拟之间存在重大差异。
• 所有测试的模拟均预测平均气体温度接近 virial 温度，但这一结果未被 SZE 观测所支持。
• 标准广义 NFW 模型无法准确描述模拟的气体压强与电子密度分布，因此需要新模型。
• 提出一种新的质量依赖型广义 NFW 模型，其对模拟的气体压强与电子密度分布的拟合效果显著更优。