FLAMINGO: The thermal history of the Universe from tSZ effect cross-correlations and its dependencies on cosmology and baryon physics

Enunciado del Problema
El contenido de energía térmica del Universo codifica información crítica sobre la formación y evolución de la estructura cósmica, reflejando la interacción entre el crecimiento de la estructura cosmológica y los mecanismos de retroalimentación bariónica (por ejemplo, AGN y supernovas). Aunque el efecto Sunyaev-Zel'dovich térmico (tSZ) proporciona una sonda de este reservorio térmico, extraer la historia térmica ($d y/d z$) de las observaciones requiere un modelo para la presión media de electrones ponderada por el sesgo ($\langle b_h P_e \rangle$). Estudios anteriores han confiado en el formalismo del modelo de halos para corregir el sesgo, pero las incertidumbres sobre cómo el sesgo depende de la cosmología y la física bariónica no se han elucidado completamente. Además, existe la necesidad de comprender las degeneraciones entre los parámetros cosmológicos (como $S_8$) y la retroalimentación bariónica al interpretar las mediciones de correlación cruzada tSZ con trazadores de la estructura a gran escala.

Metodología
Los autores utilizan la suite de simulaciones hidrodinámicas cosmológicas FLAMINGO, que abarca volúmenes de hasta $(2.8 \text{ Gpc})^3$ e incluye 18 variantes que cubren diferentes parámetros cosmológicos (específicamente $S_8$, masa de neutrinos y $\Omega_m$) e implementaciones de retroalimentación bariónica. Las simulaciones emplean el método SPH (SPHENIX) y se calibran contra las funciones de masa estelar de galaxias observadas y las fracciones de gas de cúmulos utilizando emuladores de aprendizaje automático.

El estudio emplea dos enfoques complementarios para analizar las firmas de presión térmica:

1. Espectros de Potencia 3D: La presión media de electrones ponderada por el sesgo $\langle b_h P_e \rangle$ se mide a partir de la relación entre el espectro cruzado materia-presión de electrones y el espectro de potencia automática de la materia en el límite de gran escala ($k < 0.03 \, h/\text{Mpc}$).
2. Mapas de Cono de Luz: Se construyen mapas de Compton-$y$ de todo el cielo a partir de conos de luz de partículas para cuantificar directamente la señal tSZ integrada y derivar la historia térmica $d y/d z$ sin depender de modelos de sesgo.

Los autores comparan estos resultados de simulación con mediciones de correlación cruzada observacionales existentes de SDSS, BOSS, eBOSS, DES y DESI frente a mapas tSZ de Planck. También evalúan la precisión del modelo de halo auto-similar estándar en la predicción del sesgo de halo ponderado por $y$ ($b_y$).

Contribuciones Clave

• Parametrización de $\langle b_h P_e \rangle$: Los autores derivan una parametrización fenomenológica compacta para $\langle b_h P_e \rangle$ en función del corrimiento al rojo, la cosmología (específicamente $S_8$) y la fracción bariónica de halos de masa de grupo ($f_b$).
• Caracterización del Sesgo: Calculan el sesgo de halo ponderado por $y$ directamente a partir de simulaciones y lo comparan con las predicciones del modelo de halo, identificando dónde falla la suposición auto-similar.
• Reconstrucción de la Historia Térmica: El estudio reconstruye la historia térmica $d y/d z$ y el monopolo de Compton-$y$ promediado en el cielo utilizando tanto mediciones de presión corregidas por sesgo como la integración directa de mapas.
• Retroalimentación vs. Cosmología: El trabajo desentraña los efectos de la cosmología y la retroalimentación bariónica, demostrando que sus impactos en $\langle b_h P_e \rangle$ son separables a bajo corrimiento al rojo pero degenerados a corrimientos al rojo más altos.

Resultados

• Dependencia Cosmológica: $\langle b_h P_e \rangle$ escala abruptamente con $S_8$, siguiendo una relación efectiva $\langle b_h P_e \rangle \propto S_8^{\epsilon(z)}$ donde $\epsilon(z) \approx 3$ en el rango $0.1 \le z \le 1$. Los modelos con $S_8$ más alto (por ejemplo, cosmología de Planck) sobrepredicen sistemáticamente los datos observacionales, mientras que los modelos con $S_8$ más bajo (por ejemplo, cosmología LS8, $S_8=0.766$) proporcionan un mejor ajuste.
• Dependencia de la Retroalimentación Bariónica: Contrario a los análisis de lente gravitacional débil donde la retroalimentación fuerte suprime la potencia a pequeña escala, una retroalimentación AGN más fuerte aumenta la señal de $\langle b_h P_e \rangle$ a gran escala. Esto ocurre porque la retroalimentación redistribuye la energía térmica desde los núcleos de los halos hacia escalas más grandes (el régimen de dos halos), potenciando la señal de presión en las escalas sondeadas por las correlaciones cruzadas.
• Inferencia Conjunta: Un ajuste conjunto a los datos observacionales utilizando la parametrización derivada arroja $S_8 = 0.72^{+0.03}_{-0.03}$ y una fracción bariónica de halo de masa de grupo normalizada en $z=0.1$ de $f_b(10^{13} M_\odot, z=0.1)/(\Omega_b/\Omega_m) = 0.10^{+0.09}_{-0.05}$. El modelo con el $S_8$ más bajo y la retroalimentación más fuerte ($LS8-f_{gas}-8\sigma$) proporciona la mejor coincidencia con las observaciones.
• Sesgo e Historia Térmica: El sesgo de halo ponderado por $y$ aumenta con el corrimiento al rojo pero se desvía de las predicciones del modelo de halo auto-similar en $z \gtrsim 2.5$, atribuido a desviaciones en la relación de escalado $Y-M$ respecto a la auto-similitud. La historia térmica alcanza su máximo en $z \approx 0.5-1$. Aproximadamente el 45% de la señal $d y/d z$ se origina dentro de $r_{200c}$ de los halos, mientras que el resto surge del medio intergaláctico difuso y los bordes de los halos; esta fracción está controlada principalmente por la fuerza de la retroalimentación más que por la cosmología.
• Restricciones del Monopolo: El monopolo $y$ promediado en el cielo inferido a partir de los modelos LS8 concuerda bien con estimaciones observacionales recientes (Chiang et al. 2020), mientras que los modelos de la cosmología de Planck predicen valores más altos.

Significado
El artículo demuestra que la historia térmica del Universo, sondeada a través de correlaciones cruzadas tSZ, ofrece una ruta poderosa para restringir simultáneamente parámetros cosmológicos (específicamente $S_8$) y probar modelos de formación de galaxias. El estudio destaca que la señal de presión térmica es sensible a la retroalimentación de una manera distinta al cizallamiento cósmico, proporcionando una prueba novedosa para los modelos de retroalimentación bariónica. La parametrización desarrollada permite la inclusión eficiente de datos de correlación cruzada tSZ en los pipelines de inferencia cosmológica, potencialmente rompiendo las degeneraciones entre cosmología y física bariónica cuando se combina con datos de bajo corrimiento al rojo que son menos sensibles a la retroalimentación. Los resultados sugieren una preferencia por cosmologías de bajo $S_8$ y modelos de retroalimentación fuerte, consistentes con análisis recientes del espectro de potencia tSZ y del espectro cruzado, aunque permanecen en tensión con las restricciones del CMB primario.