[论文解读] The eROSITA Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS): X-ray Observable-to-Mass-and-Redshift Relations of Galaxy Clusters and Groups with Weak-Lensing Mass Calibration from the Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program Survey

I-Non Chiu, V. Ghirardini+19 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用eROSITA X射线数据与HSC-SSP弱引力透镜测量，首次对eFEDS巡天中434个星系团及星系群进行了弱强引力透镜质量标定及X射线标定关系研究。结果表明，大多数X射线标定关系在1.7σ范围内与自相似性预测一致，且无显著红移依赖性，验证了eROSITA与HSC在后续星系团宇宙学研究中的协同潜力。

ABSTRACT

We present the first weak-lensing mass calibration and X-ray scaling relations of galaxy clusters and groups selected in the $eROSITA$ Final Equatorial Depth Survey (eFEDS) observed by Spectrum Roentgen Gamma/$eROSITA$ over a contiguous footprint with an area of $\approx140$ deg$^2$, using the three-year (S19A) weak-lensing data from the Hyper Suprime-Cam (HSC) Subaru Strategic Program survey. In this work, a sample of $434$ optically confirmed galaxy clusters (and groups) at redshift $0.01\lesssim z \lesssim1.3$ with a median of $0.35$ is studied, of which $313$ systems are uniformly covered by the HSC survey to enable the extraction of the weak-lensing shear observable. In a Bayesian population modelling, we perform a blind analysis for the weak-lensing mass calibration by simultaneously modelling the observed count rate $η$ and the shear profile $g$ of individual clusters through the count rate-to-mass-and-redshift ($η$--$M_{500}$--$z$) and weak-lensing mass-to-mass-and-redshift ($M_{\mathrm{WL}}$--$M_{500}$--$z$) relations, respectively, while accounting for the bias in these observables using simulation-based calibrations. As a result, the count rate-inferred and lensing-calibrated cluster mass is obtained from the joint modelling of the scaling relations, as the ensemble mass spanning a range of $10^{13}h^{-1}M_{\odot}\lesssim M_{500}\lesssim10^{15} h^{-1}M_{\odot}$ with a median of $\approx10^{14} h^{-1}M_{\odot}$ for the eFEDS sample. With the mass calibration, we further model the X-ray observable-to-mass-and-redshift relations, including the rest-frame soft-band and bolometric luminosity ($L_{\mathrm{X}}$ and $L_{\mathrm{b}}$), the emission-weighted temperature $T_{\mathrm{X}}$, the mass of intra-cluster medium $M_{\mathrm{g}}$, and the mass proxy $Y_{\mathrm{X}}$, which is the product of $T_{\mathrm{X}}$ and $M_{\mathrm{g}}$. (abridged)

研究动机与目标

• 利用HSC-SSP巡天的弱引力透镜测量，对eFEDS巡天中的星系团及星系群质量进行标定。
• 建立具有精确质量标定的星系团X射线可观测量与质量及红移之间的关系。
• 在0.01 ≤ z ≤ 1.3的红移范围内，检验X射线标定关系的自相似性。
• 利用贝叶斯群体建模框架，评估X射线质量代理在红移依赖性偏差方面的潜在影响。
• 通过独立的弱引力透镜标定，验证质量标定关系，为即将开展的eROSITA全天巡天提供稳健的宇宙学约束。

提出的方法

• 对单个星系团的可观测量（X射线计数率η与弱引力透镜剪切轮廓g+）进行盲式贝叶斯群体建模。
• 同时建模η–M500–z关系与M_WL–M500–z关系，利用基于模拟的校准方法校正观测偏差。
• 采用联合似然框架，推断既基于X射线计数率又经弱引力透镜校准的星系团质量（M500）。
• 利用三年HSC-SSP弱引力透镜数据，提取313个被巡天均匀覆盖的星系团的剪切信号。
• 采用分层贝叶斯方法，考虑X射线与透镜可观测量中的离散性与测量不确定性。
• 将X射线标定关系（L_X, L_b, T_X, M_g, Y_X）相对于透镜校准的M500进行标定，联合建模红移与质量依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在eFEDS巡天中，星系团及星系群的X射线可观测量（光度、温度、Y_X）如何随质量和红移变化？
• RQ2 在样本的红移与质量范围内，观测到的X射线标定关系与自相似性预测的偏离程度如何？
• RQ3 当以弱引力透镜质量为基准时，X射线质量代理是否存在显著的红移依赖性偏差？
• RQ4 利用HSC-SSP数据对eFEDS区域星系团的弱引力透镜质量标定，其精度与一致性如何？
• RQ5 X射线标定关系在星系团质量范围（10^13 h⁻¹ M☉ ≤ M500 ≤ 10^15 h⁻¹ M☉）与红移范围（0.01 ≤ z ≤ 1.3）内表现如何？

主要发现

• 弱引力透镜质量标定在eFEDS样本中得到的中位数星系团质量约为10^14 h⁻¹ M☉，质量范围覆盖10^13 h⁻¹ M☉至10^15 h⁻¹ M☉。
• 宇宙静止系软X射线波段光度（L_X）的质量依赖性比自相似性预测更陡峭，其显著性水平超过统计预期。
• 其余所有X射线标定关系——总光度（L_b）、发射加权温度（T_X）、气体质量（M_g）与Y_X——的质量趋势在1.7σ范围内与自相似性一致。
• 在任何X射线可观测量的红移标定中均未发现与自相似性显著偏离，表明无强红移依赖性演化。
• 未发现显著的红移依赖性质量趋势，证实了质量标定的稳健性，并支持在宇宙学研究中使用X射线代理。
• 对X射线与弱引力透镜可观测量的联合建模提供了自洽且基于校准的质量估计，使未来基于eROSITA数据的宇宙学应用成为可能。