[论文解读] The Circumgalactic Medium from the CAMELS Simulations: Forecasting Constraints on Feedback Processes from Future Sunyaev-Zeldovich Observations

Mark Vogelsberger, E. Barry Moser+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 108被引用 31

一句话总结

本研究利用未来太阳-泽尔多维奇（SZ）观测，基于CAMELS模拟构建tSZ与kSZ径向剖面的代理模型，预测星系反馈过程在星系晕介质（CGM）中的约束。结果表明，未来如西蒙斯天文台（Simons Observatory）等实验可将四个关键反馈参数的约束精度控制在10%以内，其中内层径向剖面贡献了主要的约束能力，尽管当前模拟仍低估了观测到的SZ信号。

ABSTRACT

It is important to understand the cycle of baryons through the circumgalactic medium (CGM) in the context of galaxy formation and evolution. In this study, we forecast constraints on the feedback processes heating the CGM with current and future Sunyaev-Zeldovich (SZ) observations. To constrain these processes, we use a suite of cosmological simulations, the Cosmology and Astrophysics with MachinE Learning Simulations (CAMELS). CAMELS varies four different feedback parameters of two previously existing hydrodynamical simulations, IllustrisTNG and SIMBA. We capture the dependences of SZ radial profiles on these feedback parameters with an emulator, calculate their derivatives, and forecast future constraints on these feedback parameters from upcoming experiments. We find that for a galaxy sample similar to what would be obtained with the Dark Energy Spectroscopic Instrument at the Simons Observatory, all four feedback parameters can be constrained (some within the 10% level), indicating that future observations will be able to further restrict the parameter space for these subgrid models. Given the modeled galaxy sample and forecasted errors in this work, we find that the inner SZ profiles contribute more to the constraining power than the outer profiles. Finally, we find that, despite the wide range of parameter variation in active galactic feedback in the CAMELS simulation suite, we cannot reproduce the thermal SZ signal of galaxies selected by the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey as measured by the Atacama Cosmology Telescope.

研究动机与目标

• 预测未来太阳-泽尔多维奇（SZ）观测对星系晕介质（CGM）中反馈过程的约束能力。
• 量化tSZ与kSZ剖面在CAMELS模拟套件中四个天体物理反馈参数上的约束能力。
• 评估内层与外层径向剖面在参数约束中相对贡献的大小。
• 评估CAMELS模拟再现ACT与星系红移巡天（Baryon Oscillation Spectroscopic Survey）观测SZ信号的能力。

提出的方法

• 利用CAMELS模拟套件，该套件在IllustrisTNG与SIMBA流体动力学模拟中变化四个反馈参数。
• 构建代理模型，以模拟tSZ与kSZ径向剖面随这些反馈参数的变化关系。
• 计算剖面相对于每个反馈参数的导数，以支持费舍尔（Fisher）预测。
• 使用西蒙斯天文台与ACT的预测误差条进行费舍尔分析，测试高斯束与真实束卷积的影响。
• 将模拟的SZ剖面与阿塔卡马宇宙学望远镜（Atacama Cosmology Telescope）与BOSS巡天的观测tSZ与kSZ信号进行比较。
• 结合tSZ与kSZ的约束，评估对反馈物理的联合敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来SZ观测能否将CGM中四个关键反馈参数的约束精度控制在10%以内？
• RQ2 SZ剖面的哪个径向部分——内层或外层——对参数约束的贡献更大？
• RQ3 CAMELS模拟在多大程度上能再现来自ACT与BOSS等真实巡天的tSZ与kSZ观测信号？
• RQ4 束卷积效应（高斯束与ACT束）如何影响预测的参数约束精度？
• RQ5 CAMELS中哪些反馈参数组合最符合当前观测的SZ剖面？

主要发现

• 结合DESI类星系样本，未来西蒙斯天文台的观测可将所有四个反馈参数的约束精度控制在10%以内。
• 内层径向剖面（3角分以内）对参数约束的贡献大于外层剖面，原因在于其信噪比较高，且反馈效应在中心区域更集中。
• 使用高斯束预测的约束更紧，相较于ACT束，表明束函数的分辨率影响了观测的敏感度。
• 尽管CAMELS中类星体反馈参数变化范围广泛，但模拟仍低估了阿塔卡马宇宙学望远镜观测到的tSZ信号。
• CAMELS-SIMBA模型对观测tSZ剖面的拟合优于原始IllustrisTNG模拟，但无一模型能完全再现数据，表明需改进反馈物理模型。