Cross-correlating galaxies and cosmic dispersion measures: Constraints on the gas-to-halo mass relation from 2MASS galaxies and 133 localized fast radio bursts

Resumen Técnico: Correlación Cruzada de Galaxias y Medidas de Dispersión Cósmica

Problema y Motivación
Comprender la distribución de la materia bariónica, particularmente el gas caliente dentro de los halos de materia oscura, sigue siendo un desafío crítico en cosmología. Aunque las simulaciones hidrodinámicas (por ejemplo, IllustrisTNG) predicen relaciones específicas entre la masa del gas y la del halo, estos modelos dependen de recetas de subrejilla para los procesos de retroalimentación (feedback) que deben validarse frente a las observaciones. Las restricciones actuales suelen depender de la emisión de rayos X o de los efectos de Sunyaev-Zel'dovich (SZ), que pueden estar limitadas por suposiciones respecto a la temperatura de los electrones o la contaminación de fuentes puntuales. Las ráfagas de radio rápidas (FRB, por sus siglas en inglés) ofrecen una sonda única de los electrones libres a través de sus medidas de dispersión (DM). Sin embargo, utilizar las FRB para restringir el contenido de gas en rangos específicos de masa de halo requiere una localización precisa y una separación robusta de la componente de DM cósmica de las contribuciones de la Vía Láctea y de la galaxia anfitriona de la FRB. Este artículo aborda la necesidad de una restricción directa e independiente de la temperatura sobre la fracción de masa de gas caliente en halos que albergan galaxias de bajo desplazamiento al rojo mediante la correlación cruzada de un catálogo de galaxias con FRBs localizadas.

Metodología
Los autores realizan un análisis de correlación cruzada entre el catálogo de galaxias del Two Micron All Sky Survey (2MASS) y una muestra de 133 FRBs localizadas (compiladas en Takahashi et al. 2025).

• Conjuntos de datos: La muestra de primer plano consiste en 43,533 galaxias 2MASS con desplazamientos al rojo espectroscópicos ($z \sim 0.03$), ponderadas por la completitud del desplazamiento al rojo. La muestra de fondo comprende 133 FRBs con identificaciones precisas de sus galaxias anfitrionas.
• Estimador: Se introduce un nuevo estimador de correlación cruzada en el espacio real, $\hat{\xi}_{gd}(R)$, para medir la correlación entre la sobredensidad de galaxias y las medidas de dispersión de las FRB como una función de la separación comóvil $R$.
  • Selección de fondo: Para aislar el medio intergaláctico (IGM) y el medio circumgaláctico (CGM) en el desplazamiento al rojo de las galaxias de primer plano, los autores seleccionan FRBs con desplazamientos al rojo $z_s \geq z_g + \Delta z$ (donde $\Delta z = 0.05$).
  • DM Residual: El estimador utiliza una medida de dispersión residual $\Delta DM$, restando la contribución de la Vía Láctea y el promedio del fondo cósmico, pero intencionalmente dejando sin restar la componente de la galaxia anfitriona para evitar la dependencia de modelos.
  • Control de Sistemáticas: Se calcula un "factor de aumento" (boost factor) para verificar que la selección de fondo no se vea comprometida por efectos de dispersión o identificación errónea de las galaxias anfitrionas. El análisis emplea un método de jackknife (40 subregiones) para estimar la matriz de covarianza e incertidumbres estadísticas.
• Modelado Teórico: Las predicciones se generan utilizando un marco de modelo de halo (Cooray & Sheth 2002).
  • Distribución de Galaxias: La Distribución de Ocupación de Halos (HOD) de las galaxias 2MASS está restringida por Ando et al. (2018).
  • Densidad de Electrones: Los perfiles de densidad de electrones libres se extraen inicialmente de la simulación hidrodinámica IllustrisTNG-300 (TNG300).
  • Modificación Fenomenológica: Para probar la robustez de la predicción de TNG300, se aplica una función de corte fenomenológica ($\tanh(M_{500}/M_{cut})$) para reducir las contribuciones de halos de menor masa en el modelo.

Resultados Clave

• Detección Nula: La señal de correlación cruzada $\xi_{gd}(R)$ se mide en el rango $0.01 < R [h^{-1}\text{Mpc}] < 1$. Las mediciones son consistentes con una detección nula (relación señal-ruido $\sim 2\sigma$) en todo este rango.
• Inconsistencia de TNG300: La predicción basada en TNG300 sobreestima significativamente la señal de correlación cruzada en escalas pequeñas ($R \sim 0.01 h^{-1}\text{Mpc}$). Esta discrepancia indica que la simulación predice demasiado gas caliente en halos con masas de $10^{12}–10^{13} M_\odot$.
• Restricciones sobre la Fracción de Gas:
  • Al introducir un corte fenomenológico, los autores derivan un límite inferior sobre la masa de corte $M_{cut} > 1 \times 10^{12} M_\odot$ con un nivel de confianza del 95%.
  • Esto implica que la fracción de masa de gas caliente en halos de $10^{12}–10^{13} M_\odot$ debe ser inferior a $\sim 10\%$ de la fracción bariónica global (o $f_{gas,hot} \lesssim 0.03$).
  • Esta restricción es consistente con los límites derivados del apilamiento de rayos X (Popesso et al. 2024) y las mediciones de SZ térmico (Lim et al. 2021), pero proporciona una estimación directa que no depende de suposiciones sobre la temperatura electrónica.
• Sensibilidad del Modelo: El análisis demuestra que la señal en $R \sim 0.01 h^{-1}\text{Mpc}$ es sensible principalmente a la fracción de masa de gas total en halos de tamaño de grupo, más que a la distribución radial detallada de la densidad de electrones.

Significado y Reivindicaciones
El artículo sostiene que las correlaciones cruzadas entre galaxias y FRB ofrecen una sonda poderosa e independiente de los procesos de retroalimentación bariónica en la formación de galaxias. Al utilizar información precisa de desplazamiento al rojo para seleccionar fuentes de fondo, el método aísla eficazmente la densidad de electrones libres alrededor de las galaxias de primer plano. Los resultados sugieren que las simulaciones hidrodinámicas actuales (específicamente TNG300) pueden requerir mecanismos de retroalimentación más fuertes para reducir el contenido de gas caliente en halos de $10^{12}–10^{13} M_\odot$ para coincidir con los datos observacionales. Los autores enfatizan que, si bien el tamaño actual de la muestra ($\sim 100$ FRBs) limita la precisión estadística, la metodología es robusta frente a errores sistemáticos relacionados con la contaminación de la galaxia anfitriona y la dispersión. Concluyen que futuros estudios con muestras más grandes de FRBs localizadas permitirán un mapeo más preciso del contenido de gas caliente en el universo y restricciones más estrictas sobre la evolución de la retroalimentación bariónica.