The suppression of the matter power spectrum: strong feedback from X-ray gas mass fractions, kSZ effect profiles, and galaxy-galaxy lensing

Resumen Técnico: La supresión del espectro de potencia de la materia por la retroalimentación bariónica

Planteamiento del problema
Los procesos de retroalimentación bariónica, particularmente la inyección de energía de los núcleos galácticos activos (AGN), redistribuyen el gas con respecto a la distribución subyacente de la materia oscura. Esta redistribución suprime el espectro de potencia de la materia en escalas pequeñas y no lineales en decenas de puntos porcentuales en comparación con las predicciones de solo materia oscura. Si bien este efecto es una fuente conocida de incertidumbre sistemática para los análisis de cizalladura cósmica (lente gravitacional débil), la amplitud precisa y la dependencia de la escala de la supresión siguen siendo inciertas. Las simulaciones hidrodinámicas actuales carecen de la resolución para tratar la retroalimentación desde los primeros principios, dependiendo en su lugar de prescripciones de "sub-rejilla" (sub-grid) que producen predicciones marcadamente diferentes para la supresión de la potencia. En consecuencia, los análisis de lentes débiles suelen adoptar cortes de escala conservadores, descartando señales valiosas de pequeña escala, o utilizan modelos flexibles que, sin una calibración externa, efectivamente reducen el peso de las escalas pequeñas y degradan la precisión cosmológica.

Metodología
Este trabajo restringe el impacto de la retroalimentación bariónica en el espectro de potencia de la materia mediante el análisis conjunto de observables de gas de múltiples longitudes de onda y datos de lensing galaxia-galaxia (GGL). El estudio emplea el marco de la barionificación (baryonification framework), un método que desplaza perturbativamente las partículas en simulaciones N-cuerpo de solo materia oscura de acuerdo con perfiles de densidad analíticos, esféricamente simétricos y motivados por observaciones, para imitar los efectos de retroalimentación.

El análisis integra tres conjuntos de datos que abarcan masas de grupos y cúmulos ($13 < \log_{10} M_{500}/M_\odot h^{-1} < 14$) en $0 < z < 1$:

1. Perfiles del efecto de Sunyaev–Zel'dovich cinético (kSZ): Mediciones apiladas de SDSS/DESI+ACT (Schaan et al. 2021; Ried Guachalla et al. 2025), que sondean las periferias de los halos (más allá de varias $R_{500}$) en redshifts más altos.
2. Fracciones de masa de gas de rayos X: Mediciones de la primera encuesta de cielo completo de eROSITA (eRASS1) y la muestra HSC–XXL, que sondean las regiones internas ($< R_{500}$) de cúmulos de bajo redshift.
3. Restricciones de masa de halo: Se utilizan las masas medias de los halos derivadas de GGL (Siegel et al. 2025; Umetsu et al. 2020) para resolver la degeneración entre la magnitud de la expulsión de gas y la masa del halo.

Los autores utilizan el emulador BCemu (entrenado en 2,700 simulaciones barionificadas) para mapear entre los parámetros del modelo de barionificación (que gobiernan los perfiles de densidad de gas) y la supresión del espectro de potencia de la materia. El modelo se valida mediante pruebas de inyección-recuperación utilizando la suite de simulaciones hidrodinámicas FLAMINGO, demostrando la capacidad del marco para predecir con precisión la supresión de la potencia a partir de los observables de gas y viceversa.

Resultos clave

• Restricciones conjuntas: El análisis conjunto de los perfiles kSZ y las fracciones de masa de gas de rayos X de eROSITA produce restricciones precisas sobre la supresión del espectro de potencia de la materia: $10 \pm 2\%$ en $k = 1 \, h \text{Mpc}^{-1}$. Los perfiles de gas inferidos son más extendidos, y la supresión de la potencia es más fuerte de lo predicho por los modelos fiduciarios de las recientes suites de simulaciones hidrodinámicas (incluyendo FLAMINGO y BAHAMAS).
• Tensión de los conjuntos de datos: Los datos de fracción de masa de gas de HSC–XXL, a los que las simulaciones fiduciarias fueron calibradas para reproducir, prefieren una supresión de potencia más moderada de $5 \pm 4\%$ en $k = 1 \, h \text{Mpc}^{-1}$. El ajuste conjunto de los datos kSZ y HSC–XXL resulta en un bondad de ajuste deficiente ($\chi^2_{\text{red}} = 2.5$), lo que sugiere posibles sistemáticas en la calibración de rayos X, efectos de selección o reconstrucción de la velocidad kSZ.
• Comparación de simulaciones: Solo las variantes de simulación con retroalimentación particularmente fuerte (por ejemplo, BAHAMAS con $\log_{10} \Delta T_{\text{AGN}} = 8.0$ y variantes de FLAMINGO calibradas para fracciones de gas desplazadas hacia abajo en $8\sigma$) son consistentes con las restricciones conjuntas de kSZ y eROSITA.
• Impacto cosmológico: Utilizando un análisis de lente débil simulado de LSST Año 1, los autores demuestran que la aplicación de sus priors de retroalimentación calibrados observacionalmente recupera la mitad de la precisión cosmológica que de otro modo se perdería al usar modelos de retroalimentación flexibles y no calibrados. Sin un modelo de retroalimentación, la cosmología inferida está significativamente sesgada; con modelos no calibrados, la restricción de la potencia se degrada por un factor de dos.

Significado y afirmaciones
El artículo afirma proporcionar las restricciones de múltiples longitudes de onda más completas hasta la fecha sobre cómo la retroalimentación bariónica suprime el espectro de potencia de la materia no lineal. La principal significancia radica en transformar la modelización de la retroalimentación de una fuente de incertidumbre sistemática en un componente de inferencia cosmológica calibrado observacionalmente.

Los autores argumentan que:

1. La retroalimentación fuerte es evidente: Los datos independientes de kSZ y eROSITA favorecen consistentemente una retroalimentación fuerte, implicando un nivel de supresión que excede las predicciones de las simulaciones de vanguardia actuales.
2. La calibración es esencial: Las restricciones externas sobre la distribución de gas (vía rayos X y kSZ) son indispensables para los próximos estudios (ej. LSST, Euclid, Roman). Estas restricciones permiten que los análisis de lentes débiles extiendan de forma segura su alcance a escalas angulares más pequeñas, recuperando la potencia estadística que típicamente se descarta mediante cortes de escala conservadores.
3. La discrepancia requiere investigación: La tensión entre los datos de HSC–XXL y los resultados de kSZ/eROSITA resalta la necesidad de una mayor calibración cruzada entre instrumentos y de un modelado hacia adelante para comprender las sistemáticas residuales en las funciones de selección de rayos X y las reconstrucciones de velocidad kSZ.

El trabajo concluye que, si bien la retroalimentación bariónica es un límite sistemático para la cizalladura cósmica, los modelos calibrados observacionalmente ofrecen una vía viable para desbloquear el poder estadístico de pequeña escala de los futuros estudios de cizalladura cósmica.