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

Résumé Technique : La suppression du spectre de puissance de la matière par le feedback baryonique

Énoncé du Problème
Les processus de feedback baryonique, particulièrement l'injection d'énergie par les noyaux actifs de galaxies (AGN), redistribuent le gaz par rapport à la distribution de la matière noire sous-jacente. Cette redistribution supprime le spectre de puissance de la matière sur les petites échelles non linéaires de plusieurs dizaines de pourcent par rapport aux prédictions de la matière noire seule. Bien que cet effet soit une source connue d'incertitude systématique pour les analyses de cisaillement cosmique (lentillage gravitationnel faible), l'amplitude précise et la dépendance à l'échelle de cette suppression restent incertaines. Les simulations hydrodynamiques actuelles manquent de résolution pour traiter le feedback à partir de principes premiers, s'appuyant plutôt sur des prescriptions « sub-grid » qui produisent des prédictions nettement différentes pour la suppression de la puissance. Par conséquent, les analyses de lentillage faible adoptent souvent des coupures d'échelle conservatrices, écartant des signaux précieux aux petites échelles, ou utilisent des modèles flexibles qui, sans calibration externe, dépondèrentnt efficacement les petites échelles et dégradent la précision cosmologique.

Méthodologie
Ce travail contraint l'impact du feedback baryonique sur le spectre de puissance de la matière en analysant conjointement des observables de gaz multi-longueurs d'onde et des données de lentillage galaxie-galaxie (GGL). L'étude emploie le cadre de baryonification, une méthode qui déplace perturbativement les particules dans des simulations N-corps de matière noire seule selon des profils de densité analytiques à symétrie sphérique motivés par l'observation, afin de simuler les effets de feedback.

L'analyse intègre trois ensembles de données couvrant les masses de groupes et de amas ($13 < \log_{10} M_{500}/M_\odot h^{-1} < 14$) à $0 < z < 1$ :

1. Profils de l'effet Sunyaev–Zel'dovich cinétique (kSZ) : Mesures empilées issues de SDSS/DESI+ACT (Schaan et al. 2021 ; Ried Guachalla et al. 2025), qui sondent les périphéries des halos (au-delà de plusieurs $R_{500}$) à des redshifts plus élevés.
2. Fractions de masse de gaz par rayons X : Mesures provenant du premier relevé de l'espace entier par eROSITA (eRASS1) et de l'échantillon HSC–XXL, qui sondent les régions internes ($< R_{500}$) des amas à bas redshift.
3. Contraintes de masse de halo : Les masses moyennes des halos dérivées du GGL (Siegel et al. 2025 ; Umetsu et al. 2020) sont utilisées pour résoudre la dégénérescence entre l'amplitude de l'expulsion du gaz et la masse du halo.

Les auteurs utilisent l'émulateur BCemu (entraîné sur 2 700 simulations baryonifiées) pour établir la correspondance entre les paramètres du modèle de baryonification (régissant les profils de densité de gaz) et la suppression du spectre de puissance de la matière. Le modèle est validé par des tests d'injection-récupération via la suite de simulations hydrodynamiques FLAMINGO, démontrant la capacité du cadre à prédire avec précision la suppression de la puissance à partir des observables de gaz et vice versa.

Résultats Clés

• Contraintes Conjointes : L'analyse conjointe des profils kSZ et des fractions de masse de gaz par rayons X d'eROSITA produit des contraintes précises sur la suppression du spectre de puissance de la matière : $10 \pm 2\%$ à $k = 1 \, h \text{Mpc}^{-1}$. Les profils de gaz inférés sont plus étendus, et la suppression de la puissance est plus forte que ce que prédisent les modèles fiduciaires des suites de simulations hydrodynamiques récentes (incluant FLAMINGO et BAHAMAS).
• Tension des Données : Les fractions de masse de gaz HSC–XXL, que les simulations fiduciaires ont été calibrées pour reproduire, préfèrent une suppression de puissance plus modérée de $5 \pm 4\%$ à $k = 1 \, h \text{Mpc}^{-1}$. L'ajustement conjoint des données kSZ et HSC–XXL résulte en un mauvais ajustement ($\chi^2_{\text{red}} = 2.5$), suggérant des biais systématiques dans la calibration X, les effets de sélection ou la reconstruction de la vitesse kSZ.
• Comparaison de Simulations : Seules les variantes de simulations présentant un feedback particulièrement fort (par exemple, BAHAMAS avec $\log_{10} \Delta T_{\text{AGN}} = 8.0$ et les variantes de FLAMINGO calibrées par des fractions de gaz décalées vers le bas de $8\sigma$) sont cohérentes avec les contraintes conjointes kSZ et eROSITA.
• Impact Cosmologique : En utilisant une analyse de lentillage faible simulée pour LSST Année 1, les auteurs démontrent qu'appliquer leurs priors de feedback calibrés par l'observation permet de récupérer la moitié de la précision cosmologique qui serait autrement perdue en utilisant des modèles de baryons flexibles et non calibrés. Sans modèle de baryons, la cosmologie inférée est significativement biaisée ; avec des modèles non calibrés, la capacité de contrainte de la puissance se dégrade d'un facteur deux.

Signification et Revendications
L'article affirme fournir les contraintes multi-longueurs d'onde les plus complètes à ce jour sur la manière dont le feedback baryonique supprime le spectre de puissance non linéaire de la matière. La principale signification réside dans la transformation de la modélisation du feedback, passant d'une source d'incertitude systématique à une composante de l'inférence cosmologique calibrée par l'observation.

Les auteurs soutiennent que :

1. Un feedback fort est évident : Les données indépendantes kSZ et eROSITA favorisent systématiquement un feedback fort, impliquant un niveau de suppression qui dépasse les prédictions de l'état de l'art actuel des simulations.
2. La calibration est essentielle : Les contraintes externes sur la distribution du gaz (via les rayons X et le kSZ) sont indispensables pour les relevés de prochaine génération (ex. LSST, Euclid, Roman). Ces contraintes permettent aux analyses de lentillage faible d'étendre en toute sécurité l'analyse aux échelles angulaires plus petites, récupérant ainsi la puissance statistique qui est typiquement écartée via des coupures d'échelle conservatrices.
3. La divergence nécessite une investigation : La tension entre les données HSC–XXL et les résultats kSZ/eROSITA souligne la nécessité d'une calibration croisée entre instruments et d'une modélisation directe (forward modeling) plus poussée pour comprendre les biais systématiques résiduels dans les fonctions de sélection X et les reconstructions de vitesse kSZ.

Le travail conclut que bien que le feedback baryonique soit un biais systématique limitant pour le cisaillement cosmique, les modèles calibrés par l'observation offrent une voie viable pour exploiter la puissance statistique des petites échelles des futurs relevés de cisaillement cosmique.