[论文解读] The Impact of the WHIM on the IGM Thermal State Determined from the Low-$z$ Lyman-$α$ Forest

Teng Hu, Vikram Khaire+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究表明，尽管存在来自温热星系间介质（WHIM）的显著激波加热，低红移星系间介质（IGM）的热状态（由 $T_0$ 和 $\gamma$ 参数化）仍可从 Ly$\alpha$ 森林中可靠测量。通过在 Nyx、IllustrisTNG 和 Illustris 模拟中应用基于机器学习的模拟推断方法，研究发现 $b$--$N_{\text{H\,{\tiny i}}}$ 分布对 WHIM 比例差异不敏感，导致的偏差为 $|\Delta\log(T_0/\text{K})|\lesssim 0.05$ dex 和 $|\Delta\gamma|\lesssim 0.1$，小于典型的观测不确定性。

ABSTRACT

At $z \lesssim 1$, shock heating caused by large-scale velocity flows and possibly violent feedback from galaxy formation, converts a significant fraction of the cool gas ($T\sim 10^4$ K) in the intergalactic medium (IGM) into warm-hot phase (WHIM) with $T >10^5$K, resulting in a significant deviation from the previously tight power-law IGM temperature-density relationship, $T=T_0 (ρ/ {\barρ})^{γ-1}$. This study explores the impact of the WHIM on measurements of the low-$z$ IGM thermal state, $[T_0,γ]$, based on the $b$-$N_{H I}$ distribution of the Lyman-$α$ forest. Exploiting a machine learning-enabled simulation-based inference method trained on Nyx hydrodynamical simulations, we demonstrate that [$T_0$, $γ$] can still be reliably measured from the $b$-$N_{H I}$ distribution at $z=0.1$, notwithstanding the substantial WHIM in the IGM. To investigate the effects of different feedback, we apply this inference methodology to mock spectra derived from the IllustrisTNG and Illustris simulations at $z=0.1$. The results suggest that the underlying $[T_0,γ]$ of both simulations can be recovered with biases as low as $|Δ\log(T_0/ ext{K})| \lesssim 0.05$ dex, $|Δγ| \lesssim 0.1$, smaller than the precision of a typical measurement. Given the large differences in the volume-weighted WHIM fractions between the three simulations (Illustris 38\%, IllustrisTNG 10\%, Nyx 4\%) we conclude that the $b$-$N_{H I}$ distribution is not sensitive to the WHIM under realistic conditions. Finally, we investigate the physical properties of the detectable Lyman-$α$ absorbers, and discover that although their $T$ and $Δ$ distributions remain mostly unaffected by feedback, they are correlated with the photoionization rate used in the simulation.

研究动机与目标

• 评估在 $z \lesssim 1$ 时温热星系间介质（WHIM）的存在是否扭曲了从 Ly$\alpha$ 森林测量 IGM 热状态 $[T_0, \gamma]$ 的结果。
• 评估 $b$--$N_{\text{H\,{\tiny i}}}$ 分布作为温度-密度关系探针在不同反馈模型下的鲁棒性。
• 确定不同宇宙学模拟中 WHIM 比例的差异是否会影响从观测到的 Ly$\alpha$ 森林统计量推断出的热参数。
• 验证一种基于机器学习的推断框架，用于从具有不同反馈方案的模拟中恢复 $[T_0, \gamma]$。

提出的方法

• 在高分辨率 Nyx 流体动力学模拟上训练基于机器学习的模拟推断方法，以 $z = 0.1$ 时的 $b$--$N_{\text{H\,{\tiny i}}}$ 分布推断 $[T_0, \gamma]$。
• 将相同的推断框架应用于从 IllustrisTNG 和 Illustris 模拟中生成的模拟 Ly$\alpha$ 森林光谱，二者在反馈强度和由此产生的 WHIM 比例上存在显著差异。
• 使用密度估计似然无模型推断（DELFI）将观测到的 $b$--$N_{\text{H\,{\tiny i}}}$ 分布映射到 $[T_0, \gamma]$ 的后验分布，从而在复杂非线性关系下实现参数恢复。
• 对模拟结果进行后处理，使光离化率 $\Gamma_{\text{H\,{\tiny i}}}$ 保持一致，以隔离反馈效应与电离历史效应的影响。
• 通过比较不同模拟中 Ly$\alpha$ 吸收体的 $T$--$\Delta$ 分布，评估其对反馈和 WHIM 含量的敏感性。
• 通过将恢复的 $[T_0, \gamma]$ 与各模拟中的真实输入值进行比较，量化偏差和精度，验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $z \lesssim 1$ 时 WHIM 的存在是否显著偏差从 Ly$\alpha$ 森林测量 IGM 热状态 $[T_0, \gamma]$ 的结果？
• RQ2 当 IGM 中含有大量 WHIM（$T > 10^5$ K）时，Ly$\alpha$ 森林中的 $b$--$N_{\text{H\,{\tiny i}}}$ 分布是否仍能可靠地恢复 $[T_0, \gamma]$？
• RQ3 不同反馈模型（如 Illustris 与 IllustrisTNG）如何影响热状态参数 $[T_0, \gamma]$ 以及 WHIM 在 Ly$\alpha$ 森林中的可探测性？
• RQ4 在不考虑反馈机制的情况下，可观测 Ly$\alpha$ 吸收体的物理特性在多大程度上与光离化率相关？
• RQ5 当光离化率保持恒定时，$b$--$N_{\text{H\,{\tiny i}}}$ 分布对体积加权的 WHIM 比例是否敏感？

主要发现

• 基于机器学习的推断框架在所有三个模拟（Nyx、IllustrisTNG、Illustris）中均成功恢复了真实的 $[T_0, \gamma]$ 参数，偏差为 $|\Delta\log(T_0/\text{K})| \lesssim 0.05$ dex 和 $|\Delta\gamma| \lesssim 0.1$，小于典型的测量不确定性。
• 尽管体积加权的 WHIM 比例存在显著差异——Nyx 中为 4%，IllustrisTNG 中为 10%，Illustris 中为 38%——在真实条件下，$b$--$N_{\text{H\,{\tiny i}}}$ 分布对这些变化仍保持很大程度的不敏感。
• 当光离化率 $\Gamma_{\text{H\,{\tiny i}}}$ 保持恒定时，不同模拟中 Ly$\alpha$ 吸收体的 $T$--$\Delta$ 分布几乎无法区分，表明反馈效应在观测到的森林统计中被掩盖。
• IllustrisTNG 和 Illustris 中模拟 Ly$\alpha$ 吸收体的 WHIM 比例几乎相同（平均为 11.6%），尽管其 IGM 中的 WHIM 比例差异巨大，表明吸收体倾向于追踪相同的物理条件，与反馈强度无关。
• $b$--$N_{\text{H\,{\tiny i}}}$ 分布在真实条件下对 WHIM 不敏感，意味着即使存在显著的激波加热，从 Ly$\alpha$ 森林进行的标准热状态测量依然稳健。
• 本研究证实，即使 IGM 因激波加热和反馈导致显著分散，$T_0$--$\gamma$ 关系仍是 $z \lesssim 1$ 时 IGM 热状态的有效且可测量的描述。