[论文解读] The scaling relation between galaxy luminosity and WHIM density from EAGLE simulations with application to SDSS data

Tuominen Toni, Heinämäki Pekka+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 41被引用 5

一句话总结

该论文利用高分辨率EAGLE模拟，建立了星系光度密度（LD）在r波段与宇宙丝状结构中暖热星系际介质（WHIM）密度之间的稳健标定关系。该方法预测WHIM密度的离散度小于0.5 dex，并将其应用于SDSS DR12数据，发现LD可追踪约31±10%的宇宙重子密度——与观测到的缺失重子分数一致，为大规模巡天中定位WHIM提供了新的观测途径。

ABSTRACT

<p>This paper presents an updated scaling relation between the optical luminosity density (LD) of galaxies in the r band and the density of the warm-hot intergalactic medium (WHIM) in cosmic filaments, using the high-resolution EAGLE simulations. We find a strong degree of correlation between the WHIM density and the galaxy luminosity density, resulting in a scaling relation between the two quantities that permits us to predict the WHIM density of filaments with a scatter of less than 1/2 dex in a broad range of smoothed filament luminosity densities. In order to estimate the performance of the simulation-based calibration of the LD-WHIM density relation, we applied it to a sample of low-redshift filaments detected with the Bisous method in the Legacy Survey SDSS DR12 data. In the volume covered by the SDSS data, our relation predicts a WHIM density amounting to 31 +/- 7 +/- 12 per cent (statistical errors followed by systematic) of cosmic baryon density. This agrees, albeit within the large uncertainties, with the current estimates of the cosmological missing baryon fraction, implying that our LD-WHIM density relation may be a useful tool in the search for the missing baryons. This method of analysis provides a new promising avenue to study the physical properties of the missing baryons, using an observable that is available for large volumes of the sky, complementary and independent from WHIM searches with absorption-line systems in the FUV or X-rays.</p>

研究动机与目标

• 利用高分辨率EAGLE模拟，校准星系光度密度（LD）与宇宙丝状结构中WHIM密度之间的标定关系。
• 通过将可观测的光学LD与难以捉摸的WHIM相联系，解决低红移宇宙中重子缺失的长期难题。
• 提供一种预测工具，用于在FUV和X射线巡天中识别高概率的WHIM探测视线。
• 利用真实的SDSS数据，检验预测的WHIM密度与宇宙学估计的缺失重子分数之间的一致性。

提出的方法

• 利用高分辨率EAGLE模拟，模拟星系光度密度与宇宙丝状结构中WHIM密度之间的空间相关性。
• 在EAGLE模拟和SDSS DR12数据中均应用Bisous丝状结构识别算法，确保结构定义的一致性。
• 构建平滑LD（在1–300 Mpc尺度上）与WHIM密度之间的标定关系，并在68%置信水平下量化离散度。
• 使用模拟数据校准LD-WHIM关系，随后将其应用于观测到的SDSS DR12星系数据，以预测低红移丝状结构中的WHIM密度。
• 利用该关系估算SDSS体积中由WHIM追踪的宇宙重子密度分数，同时考虑统计和系统误差。
• 通过将预测的WHIM密度与当前观测估计的缺失重子分数进行比较，验证方法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙丝状结构中，星系光度密度与WHIM密度之间是否存在如宇宙学模拟所预测的强而可预测的相关性？
• RQ2 基于EAGLE的LD-WHIM标定关系是否可可靠地应用于真实观测数据（如SDSS DR12），以估算大尺度结构中的WHIM质量？
• RQ3 基于LD方法预测的WHIM密度是否与低红移宇宙中观测到的缺失重子分数一致？
• RQ4 光学光度密度在多大程度上可作为WHIM探测的代理指标，从而实现对FUV和X射线后续观测的高效目标选择？
• RQ5 根据LD-WHIM标定关系，SDSS体积中WHIM对宇宙重子预算的预期贡献是多少？

主要发现

• 在宇宙丝状结构中，星系光度密度与WHIM密度之间存在强相关性，且在LD过密度δLD = 1至300的范围内，68%置信水平下的离散度小于0.5 dex。
• 基于EAGLE的LD-WHIM标定关系成功预测SDSS DR12数据覆盖体积中WHIM密度为宇宙重子密度的31±10%。
• 该预测值与当前观测估计的缺失重子分数（约30%至50%的宇宙重子预算）一致。
• 该方法识别出SDSS体积中5.0%被WHIM丝状结构占据，其中δLD = 1–300的丝状结构占3.7%。
• LD-WHIM关系提供了一种可行、独立且可扩展的方法，可利用光学星系巡天追踪WHIM相，从而在FUV和X射线波段实现有针对性的后续观测。
• 该方法通过优先选择预测WHIM柱密度最高的视线，实现了低成本光学巡天与高成本高能后续任务（如Athena）之间的理想协同，具有广阔前景。