[论文解读] The detection of missing baryons in galaxy halos with kinetic Sunyaev-Zel'dovich effect

Seunghwan Lim, H. J. Mo+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Superconducting and THz Device Technology被引用 5

一句话总结

本研究利用普朗克宇宙微波背景（CMB）图谱，首次实现了对质量低至∼10¹².³ M☉的星系团中动能太阳亚科夫-泽尔多维奇效应（kSZE）的逐质量检测，揭示这些晕中气体分数与宇宙重子分数一致。结合热SZE测量结果，表明星系晕周围的介质（CGM）为温热状态，有效温度约为10⁵–10⁶ K，从而解决了星系晕中缺失重子的问题。

ABSTRACT

One unsettled problem in cosmology is that the baryon fractions identified as stars and cold gas in halos of galaxies and galaxy groups are lower than the universal fraction. The detection of the missing baryon component and the study of its properties are crucial for understanding how physical processes produce the galaxy population we observe. Numerical simulations show that part of the missing baryons are in a warm-hot circum-galactic medium (CGM). Such a gas component, predominantly ionized, can be investigated via its thermal and kinetic Sunyaev-Zel'dovich effects (tSZE and kSZE), the distortions of the Cosmic Microwave Background (CMB) spectrum by free electrons in thermal and bulk motions, respectively. Detection of kSZE has been reported recently at $2-4\sigma$ level based on the collective signals associated with large-scale structure traced by galaxies. However, it is difficult to explain the results in terms of baryons associated with galaxy systems of different masses, and so their implication for the missing baryon problem in halos is uncertain. Here we present the first measurement of kSZE as a function of mass of galaxy groups down to $\sim10^{12.3}{ m M_\odot}$, from about 40,000 galaxy groups with known masses and peculiar velocities, using the Planck CMB maps. The gas fractions in galaxy groups are inferred to be comparable to the cosmic fraction, indicating that the missing baryons are found. Combined with tSZE measurements, our results imply that the CGM is warm-hot, with effective temperatures about $10^5$ - $10^6{ m K}$.

研究动机与目标

• 通过星系晕质量函数探测星系团中的动能太阳亚科夫-泽尔多维奇效应（kSZE），以研究缺失重子的分布。
• 确定星系团中的星系晕周围介质（CGM）是否解释了未以恒星或冷气体形式观测到的缺失重子。
• 利用kSZE与热SZE（tSZE）联合测量，约束CGM的温度和物理状态。
• 解决星系晕中观测到的重子分数与宇宙普遍重子分数之间的差异。

提出的方法

• 利用普朗克CMB图谱测量星系团星系晕周围介质（CGM）中自由电子集体运动引起的kSZE信号。
• 选取了40,000个具有已知质量和特殊速度的星系团，以实现kSZE信号的逐质量分析。
• 将kSZE测量结果与现有的热SZE（tSZE）数据相结合，推断CGM气体的有效温度。
• 应用统计堆叠技术，在信噪比较低的情况下仍实现2–4σ显著性的集体kSZE信号检测。
• 利用晕质量和特殊速度数据，将动力学太阳亚科夫-泽尔多维奇效应建模为质量函数，最低可达∼10¹².³ M☉。
• 从kSZE和tSZE振幅推断星系团中的气体分数，并与宇宙重子分数进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系团中的动能太阳亚科夫-泽尔多维奇效应（kSZE）是否在不同晕质量下揭示了星系晕周围介质（CGM）中缺失重子的存在？
• RQ2 在考虑kSZE和tSZE信号的情况下，星系团中推断的气体分数是否与宇宙普遍重子分数一致？
• RQ3 结合kSZE和tSZE测量结果，CGM气体的有效温度是多少？
• RQ4 在质量约为∼10¹².³ M☉的星系团尺度上，kSZE信号是否可被可靠检测到，该质量区间的重子分数不确定性最大？
• RQ5 动力学SZE与热SZE如何共同约束温热CGM的物理状态？

主要发现

• 在质量低至∼10¹².³ M☉的星系团中，kSZE信号以2–4σ显著性被检测到，标志着该质量尺度上首次实现逐质量kSZE测量。
• 从kSZE和tSZE测量中推断出的星系团气体分数与宇宙重子分数相当，表明缺失重子存在于CGM中。
• kSZE与tSZE联合分析表明，CGM的有效温度约为10⁵–10⁶ K，证实其为温热状态。
• 该结果通过表明缺失重子主要位于CGM的电离、集体运动组分中，解决了长期存在的重子分数差异问题。
• 在低质量系统中检测到kSZE，证实CGM在星系晕的重子预算中贡献显著，即使在低质量系统中亦然。
• 在研究的质量范围内，气体分数与宇宙值的一致性支持CGM是缺失重子主要储存库的观点。