Constraining the Baryon Fraction in Extragalactic Diffuse Ionized Gas with 124 Localized Fast Radio Bursts

Resumen Técnico: Restricción de la Fracción de Bariones en el Gas Ionizado Difuso Extragaláctico con 124 Brotes de Radio Rápidos Localizados

Planteamiento del Problema
El "problema de los bariones faltantes" sigue siendo un desafío significativo en la cosmología. Mientras que las mediciones del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) y la Nucleosíntesis del Big Bang (BBN) indican que la materia bariónica constituye aproximadamente el 5% del presupuesto energético del Universo, las observaciones de estructuras colapsadas (galaxias, cúmulos) y el medio intergaláctico cálido-caliente (warm-hot intergalactic medium) solo explican alrededor del 70% de este contenido esperado. El ~30% restante se hipotetiza que reside en el medio intergaláctico difuso (IGM), pero ha eludido la detección directa. Los Brotes de Radio Rápidos (FRB, por sus siglas en inglés) ofrecen una herramienta prometedora para abordar esto mediante la medición de las Medidas de Dispersión (DM), que codifican la densidad de columna integrada de los bariones ionizados a lo largo de la línea de visión. Sin embargo, análisis previos de FRBs han dependido de funciones de distribución de probabilidad (PDF) para el componente de DM extragaláctico ($DM_{cos}$) que pueden no reproducir con precisión las simulaciones cosmológicas, introduciendo potencialmente sesgos sistemáticos en la fracción de bariones inferida ($f_d$).

Metodología
Este estudio utiliza una muestra de 124 FRBs localizados (115 de una compilación previa más 9 eventos nuevos) para restringir $f_d$, la fracción de bariones en la fase de gas ionizado difuso. El análisis emplea un enfoque de verosimilitud conjunta combinando los datos de FRB con sondas cosmológicas complementarias: la muestra de Supernovas de Tipo Ia (SN Ia) PantheonPlus, los datos de Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO) del Instrumento de Espectroscopía de Energía Oscura (DESI) y las mediciones de Planck CMB.

Características metodológicas clave:

1. PDF de $DM_{cos}$ mejorada: A diferencia de estudios previos que utilizaron una distribución normal modificada con una cola de ley de potencia (como se propuso en [75]), este trabajo adopta una PDF para $DM_{cos}$ derivada de las simulaciones IllustrisTNG [82]. Esta nueva forma incluye un factor de normalización crucial ($1/\langle DM_{cos} \rangle$) previamente omitido, el cual demostró causar sesgos sistemáticos superiores a $1\sigma$. Los parámetros que gobiernan la forma de esta distribución ($\alpha, \beta, \sigma_d$) se ajustan a los datos de simulación a través de 53 cortes de redshift e interpolan para la muestra de FRB.
2. Marco Cosmológico: El análisis permite que todos los parámetros cosmológicos varíen libremente, probando tres modelos: $\Lambda$CDM, $w$CDM y el modelo de energía oscura dinámica $w_0w_a$CDM. Este último es priorizado debido a que los datos recientes de DESI BAO favorecen la energía oscura dinámica.
3. Modelado de Componentes: La DM total observada se descompone en contribuciones de la materia interestelar (ISM) de la Vía Láctea, el halo de la Vía Láctea ($DM_{halo}$), la galaxia anfitriona ($DM_{host}$) y el IGM extragaláctico ($DM_{cos}$).
   • $DM_{halo}$ se modela utilizando dos distribuciones Normal truncadas basadas en diferentes restricciones de la literatura ($N(65, 15^2)$ y $N(35, 15^2)$).
   • $DM_{host}$ se modela inicialmente con parámetros derivados de las simulaciones IllustrisTNG, con un análisis secundario que trata los parámetros de la distribución de la galaxia anfitriona como variables libres.
4. Controles Sistemáticos: El estudio investiga el impacto de la fuerza del feedback bariónico (usando una PDF log-normal alternativa para $DM_{cos}$), los efectos de selección de DM (usando una función de selección sigmoide) y la evolución con el redshift de $f_d$ (parametrizada como $f_d(z) = f_{d,0}(1 + \alpha \frac{z}{1+z})$).

Contribuciones Clave y Resultados

• Alta Fracción de Bariones: Bajo un modelo de $f_d$ constante, el análisis encuentra que más del 90% de los bariones residen en la fase de gas ionizado difuso. Específicamente, para el modelo de halo $N(65, 15^2)$, $f_d > 0.967$ (68% CL) en $\Lambda$CDM; para el modelo $N(35, 15^2)$, $f_d > 0.986$.
• Robustez ante la Energía Oscura: Las restricciones sobre $f_d$ son robustas frente a la elección de la parametrización de la energía oscura ($\Lambda$CDM, $w$CDM, $w_0w_a$CDM). Aunque los parámetros cosmológicos como $H_0$ y $\Omega_{m0}$ cambian ligeramente entre modelos, el $f_d$ inferido permanece consistente.
• Sin Evolución Significativa con el Redshift: Los datos no muestran evidencia estadísticamente significativa de evolución con el redshift en $f_d$. El parámetro de evolución $\alpha$ es consistente con cero, con límites superiores de $\alpha < 0.06$ (dependiendo del modelo de halo). Los autores señalan que estas restricciones están actualmente limitadas por la distribución de redshift de la muestra de FRB, la cual está concentrada en $z < 1$.
• Incertidumbres Sistemáticas: Las incertidumbres sistemáticas dominantes surgen de las distribuciones asumidas de la DM del halo de la Vía Láctea y de la galaxia anfitriona.
  • Una $DM_{halo}$ asumida más pequeña conduce a valores de $f_d$ inferidos sistemáticamente más altos.
  • Cuando los parámetros de la galaxia anfitriona se permiten variar libremente (en lugar de fijarse a las predicciones de la simulación), el $f_d$ inferido disminuye ligeramente (en $\sim 0.02\text{--}0.03$), y la dependencia del modelo de halo específico se reduce, aunque las incertidumbres estadísticas aumentan. Los parámetros de DM de la anfitriona inferidos sugieren que IllustrisTNG podría subestimar la contribución de la anfitriona para FRBs no repetitivos.
• Efectos de Feedback y Selección: Los resultados son insensibles a los parámetros de feedback bariónico adoptados (cuando se modelan mediante una PDF log-normal) y a la inclusión de una función de selección de DM simple.

Significancia
El artículo afirma proporcionar evidencia sólida de que la mayoría de los "bariones faltantes" residen en el medio intergaláctico ionizado difuso. Al utilizar una PDF para $DM_{cos}$ más precisa que se alinea con las simulaciones cosmológicas y corregir los errores de normalización previos, el estudio ofrece una restricción refinada sobre la fracción de bariones. El resultado de que $f_d > 0.9$ es consistente con restricciones independientes recientes (por ejemplo, Connor et al. [28]) y respalda la imagen teórica de que los bariones faltantes se localizan en el medio intergaláctico cálido-caliente. El trabajo destaca que, si bien los datos actuales de FRB restringen robustamente la fracción total de bariones, las mejoras futuras para restringir la evolución con el redshift de $f_d$ y reducir las incertidumbres sistemáticas relacionadas con las contribuciones de la galaxia anfitriona y el halo requerirán muestras más grandes con mejor cobertura de redshift.