[论文解读] Weak lensing combined with the kinetic Sunyaev Zel'dovich effect: A study of baryonic feedback

L. Bigwood, A. Amon+123 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2024

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究结合暗能量巡天第三年弱引力透镜（WL）数据与阿塔卡马宇宙学望远镜DR5动力学萨尼娅夫-泽尔多维奇（kSZ）数据，利用灵活的“baryonification”模型联合约束宇宙学与中性物质反馈参数。结果发现S8值更高（0.823+0.019−0.020），高于仅使用WL分析的结果，表明中性物质反馈比大多数流体动力学模拟预测的更为剧烈，且揭示了低于预期的重子物质与气体质量分数，暗示与基于X射线的标定存在张力。

ABSTRACT

ABSTRACT Extracting precise cosmology from weak lensing surveys requires modelling the non-linear matter power spectrum, which is suppressed at small scales due to baryonic feedback processes. However, hydrodynamical galaxy formation simulations make widely varying predictions for the amplitude and extent of this effect. We use measurements of Dark Energy Survey Year 3 weak lensing (WL) and Atacama Cosmology Telescope DR5 kinematic Sunyaev–Zel’dovich (kSZ) to jointly constrain cosmological and astrophysical baryonic feedback parameters using a flexible analytical model, ‘baryonification’. First, using WL only, we compare the $S_8$ constraints using baryonification to a simulation-calibrated halo model, a simulation-based emulator model, and the approach of discarding WL measurements on small angular scales. We find that model flexibility can shift the value of $S_8$ and degrade the uncertainty. The kSZ provides additional constraints on the astrophysical parameters, with the joint WL + kSZ analysis constraining $S_8=0.823^{+0.019}_{-0.020}$. We measure the suppression of the non-linear matter power spectrum using WL + kSZ and constrain a mean feedback scenario that is more extreme than the predictions from most hydrodynamical simulations. We constrain the baryon fractions and the gas mass fractions and find them to be generally lower than inferred from X-ray observations and simulation predictions. We conclude that the WL + kSZ measurements provide a new and complementary benchmark for building a coherent picture of the impact of gas around galaxies across observations.

研究动机与目标

• 通过结合多种探针，减少弱引力透镜巡天中由中性物质反馈引起的宇宙学不确定性。
• 检验kSZ测量是否能超越仅使用弱引力透镜的限制，进一步约束天体物理反馈参数。
• 评估baryonification建模与观测数据及流体动力学模拟的一致性。
• 探究当前反馈模型是否与联合WL + kSZ约束一致，特别是关于气体分布与功率谱抑制方面。

提出的方法

• 本研究采用‘baryonification’分析模型，这是一种对非线性物质功率谱的灵活参数化方法，可纳入中性物质反馈效应。
• 将DES Y3的弱引力透镜剪切测量与ACT DR5的kSZ温度互相关数据相结合，同时约束宇宙学与天体物理参数。
• 该模型考虑了在小尺度（k ≳ 0.1 h Mpc⁻¹）由反馈引起的物质功率谱抑制，参数化为反馈幅度与尺度。
• 采用分层贝叶斯推断框架联合拟合WL与kSZ数据，先验信息来自模拟与外部观测。
• 将baryonification结果与替代方法进行比较：晕模型、基于模拟器的模拟以及WL数据中的尺度截断。
• 利用模拟数据验证模型的稳健性，并评估宇宙学约束中潜在的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅使用弱引力透镜相比，联合kSZ与弱引力透镜数据是否能改善S8的约束？其值是否更接近CMB预测？
• RQ2 联合WL + kSZ分析所推断的重子物质与气体质量分数，与X射线观测及流体动力学模拟结果相比如何？
• RQ3 与基于模拟的先验或尺度截断相比，baryonification模型在多大程度上减少了宇宙学参数的不确定性？
• RQ4 从WL + kSZ推断出的物质功率谱抑制程度，是否与当前流体动力学模拟的预测一致？
• RQ5 kSZ测量是否能提供弱引力透镜无法获得的关于反馈强度与气体分布的独立约束？

主要发现

• 联合分析得到S8 = 0.823+0.019−0.020，高于仅使用弱引力透镜的结果，表明与基于CMB的预测之间的张力减小。
• 推断出的非线性物质功率谱抑制程度比大多数流体动力学模拟预测的更为剧烈，表明中性物质反馈更强。
• 重子物质分数与气体质量分数的均值被约束为低于X射线观测与模拟标定所推断的值。
• kSZ数据为天体物理参数提供了关键的额外约束，减少了反馈建模的不确定性，并改变了S8后验分布。
• 结果表明WL + kSZ数据与基于X射线的标定之间可能存在张力，尤其在星系群与星系团的外区更为显著。
• baryonification模型在不引入偏差的前提下，灵活捕捉了反馈效应，为基于模拟的先验提供了一种稳健的替代方案。