[论文解读] The impact of halo concentration on the Sunyaev Zel'dovich effect signal from massive galaxy clusters

Eric J. Baxter, Shivam Pandey+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 89被引用 5

一句话总结

本文研究了晕浓度对大质量星系团中太阳亚科-泽尔多维奇（SZ）效应信号的影响，表明标准多变指数气体模型无法准确预测半径 R ≈ 0.75R₂₀₀c 以外的外层SZ轮廓及 Y–c 关系。本文提出一种在溅落半径处进行简单截断的模型，显著提升了与模拟结果的一致性，当忽略浓度依赖性时，溅落半径推断的偏差可控制在 ≤2% 以内。

ABSTRACT

The Sunyaev Zel'dovich (SZ) effect is sensitive to the pressure of ionized gas inside galaxy clusters, which is in turn controlled largely by the gravitational potential of the cluster. Changing the concentration parameter describing the cluster mass distribution impacts the gravitational potential and thus the cluster SZ signal, with implications for cosmological and other analyses of SZ-selected clusters. We investigate the concentration-SZ relation in theory and simulations. We find that the impact of concentration on the inner SZ profile ($R \lesssim 0.75 R_{200c}$) can be captured with standard polytropic gas models. However, we find that such models do a poor job of reproducing the outer SZ profiles ($R \gtrsim 0.75 R_{200c}$) and the relation between the integrated SZ signal, $Y$, and concentration. This disagreement results from a sharp truncation of the gas pressure profile near the splashback radius, likely caused by virial shocks. We develop a simple description of the truncation that leads to a good match with the simulated SZ profiles out to several $R_{200c}$ for clusters of varying mass and concentration, and that also accurately predicts the concentration-$Y$ relationship. Finally, we determine how inference of the linear bias parameter and splashback radius for SZ-selected clusters can be biased by ignoring the concentration dependence of the SZ signal, finding that bias to the former is essentially negligible, while bias to the latter can be as much as 2\%.

研究动机与目标

• 理解晕浓度如何影响大质量星系团中SZ信号，尤其是内区以外的区域。
• 识别标准多变指数气体模型在再现外层SZ轮廓及积分Y–c关系方面的局限性。
• 提出一个具有物理解释的模型，以捕捉接近溅落半径处压力轮廓的截断行为。
• 评估在从SZ选源星系团样本中推断线性偏置和溅落半径时，忽略浓度依赖性对Y–c关系的影响。

提出的方法

• 作者利用《三百》项目中的宇宙学流体动力学模拟，测量了不同晕质量和浓度下的SZ轮廓及Y–c关系。
• 将模拟得到的SZ轮廓和Y–c关系与标准多变指数气体模型的预测进行对比，发现在外区（R > 0.75R₂₀₀c）存在系统性偏差。
• 提出一种新模型，该模型在溅落半径处对压力轮廓施加尖锐截断，其动机来自自相似吸积模型和激波物理。
• 截断以在溅落半径处实现压力的最大陡峭下降实现，且截断半径与模拟得到的溅落半径相绑定。
• 通过将模型预测与模拟的SZ轮廓及Y–c关系对比，验证了该模型的有效性，结果表明其在准确性上显著优于多变指数模型。
• 作者利用该模型量化了在SZ选源星系团样本中，当忽略浓度依赖性时，线性偏置和溅落半径推断的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准多变指数模型失效的区域 R ≈ 0.75R₂₀₀c 以外，晕浓度如何影响SZ信号轮廓？
• RQ2 为何多变指数气体模型无法再现观测到的Y–c关系，特别是在低浓度情况下？
• RQ3 在溅落半径处对压力轮廓进行简单截断，能否解释模拟得到的外层SZ轮廓及Y–c关系？
• RQ4 忽略SZ信号的浓度依赖性，对SZ选源星系团的线性偏置推断会产生何种影响？
• RQ5 当忽略Y的浓度效应时，溅落半径推断的偏差有多大？

主要发现

• 标准多变指数气体模型能准确预测内区SZ轮廓（R ≤ 0.75R₂₀₀c），但在外区（R > 0.75R₂₀₀c）无法再现实际轮廓，原因在于未建模压力截断。
• 多变指数模型在低浓度下无法匹配Y–c关系，其根本原因在于在溅落半径附近缺乏物理解释的截断机制。
• 一种在溅落半径处对压力轮廓施加尖锐、最大陡峭截断的简单模型，能与模拟得到的SZ轮廓及Y–c关系高度一致。
• 该模型成功捕捉了积分SZ信号的浓度依赖性，其预测性能优于标准多变指数模型。
• 忽略Y–c关系会导致溅落半径推断偏差高达2%，而线性偏置估计的偏差则保持在1%以下。
• 在未来CMB探测任务如CMB阶段4中，该2%的溅落半径偏差可能具有重要意义，因该任务预计将探测约10⁵个星系团。