CHEX-MATE: Cluster Multi-Probes in Three Dimensions (CLUMP-3D) II. Combined Gas and Dark Matter Analysis from X-ray, SZE, and WL

Sintesi Tecnica: CHEX-MATE: CLUMP-3D II. Analisi Combinata di Gas e Materia Oscura da Raggi X, SZE e WL

Problematica
Secondo il modello standard di formazione gerarchica delle strutture, gli ammassi di galassie sono intrinsecamente triassiali piuttosto che sferici. L'applicazione di modelli con simmetria sferica a queste strutture introduce significativi bias nelle proprietà derivate, in particolare nelle stime di massa tramite lensing gravitazionale debole (WL), che sono altamente sensibili all'orientamento e all'allungamento del cluster lungo la linea di vista (LOS). Sebbene i modelli triassiali possano mitigare tali bias, essi richiedono dati multi-sonda profondi e modelli fisicamente motivati per vincolare la geometria tridimensionale. Il lavoro precedente (Paper I, Kim et al. 2024, qui di seguito K24) ha stabilito un formalismo di fitting triassiale utilizzando solo dati X-ray e SZ per vincolare la geometria del gas. Tuttavia, questo approccio basato solo sul gas non poteva misurare direttamente la massa totale del cluster o il supporto di pressione non termica nel mezzo intra-cluster (ICM) senza assumere relazioni tra la distribuzione del gas e quella della massa totale.

Metodologia
Questo articolo presenta un'estensione della pipeline di fitting triassiale di K24 integrando i dati di weak lensing (WL) con l'esistente analisi X-ray e SZ. La metodologia prevede:

1. Geometria Triassiale: Il modello assume un ellissoide triassiale per la distribuzione del gas dell'ICM e per il potenziale gravitazionale. La geometria intrinseca è definita da rapporti assiali ($q_1, q_2$) e angoli di Eulero ($\theta, \phi, \psi$) rispetto all'osservatore.
2. Modellazione dell'ICM: La densità elettronica segue un profilo $\beta$ modificato (Eq. 3), e la pressione elettronica segue un profilo Navarro-Frenk-White generalizzato (gNFW) (Eq. 4). Questi profili sono proiettati lungo la LOS per generare mappe modello per la luminosità superficiale X-ray (SB), il parametro Compton-$y$ SZ e il profilo di temperatura spettroscopica.
3. Ricostruzione della Massa: A differenza degli approcci precedenti che assumevano una simmetria ellittica per il profilo di densità totale, questo lavoro assume che il potenziale gravitazionale segua la geometria triassiale dell'ICM ($q_{pot} = q_{ICM}$). Ciò è motivato da simulazioni che suggeriscono come il potenziale sia più regolare rispetto alla densità totale. Il profilo di massa totale è vincolato dalla forma NFW in una base sferica, che viene poi invertita numericamente tramite l'equazione di Poisson su una griglia triassiale per generare il potenziale ellittico. Questo potenziale viene proiettato per prodire osservabili WL (mappe di shear ridotto).
4. Framework di Fitting: Viene impiegato un approccio Markov Chain Monte Carlo (MCMC) utilizzando emcee per adattare il dataset combinato. La verosimiglianza è definita da una statistica $\chi^2$ totale che combina mappe SZ, SB X-ray (utilizzando un approccio duale 2D/1D per mitigare il bias da clumping), profili di temperatura X-ray e mappe di shear 2D WL.
5. Pressione Non Termica: Una volta vincolati i profili di densità di massa totale e di densità del gas, la frazione di pressione non termica ($P_{nt}/P_{tot}$) viene calcolata assumendo uno stato di equilibrio idrostatico generalizzato. La pressione totale necessaria per sostenere il cluster contro la gravità è derivata dal potenziale gravitazionale, e la componente non termica è la differenza tra questa pressione totale e la pressione termica derivata dalla temperatura del gas.

Contributi Chiave

• Integrazione della Pipeline: Il lavoro integra con successo i dati WL nella pipeline di fitting triassiale del gas di K24, consentendo la misurazione simultanea della geometria del cluster, della massa totale e della concentrazione senza fare affidamento su assunzioni di simmetria sferica.
• Modellazione Basata sul Potenziale: Gli autori introducono un approccio innovativo in cui la triassicità è applicata al potenziale gravitazionale piuttosto che al profilo di densità totale, permettendo un potenziale più regolare che si allinea con le superfici di isodensità dell'ICM.
• Validazione: La metodologia è validata utilizzando osservazioni simulate di cluster con parametri di input noti ($M_{200c}$, $c_{200c}$ e geometria). I test dimostrano che la pipeline può recuperare accuratamente le masse e le geometie di input, con solo lievi bias nella concentrazione quando il valore di input devia significativamente dalla distribuzione a priori.

Risultati: Applicazione ad Abell 1689
La pipeline è stata applicata al cluster CHEX-MATE PSZ2 G313.33+61.13 (Abell 1689), utilizzando dati X-ray di XMM-Newton, dati SZ di ACT/Planck e dati WL di Subaru.

• Geometria: Il cluster risulta essere allungato lungo la linea di vista rispetto al piano del cielo, con un fattore di allungamento di $R_{LP} = 1.27 \pm 0.02$.
• Massa: A causa di questo allungamento, il fit triassiale fornisce una massa totale di $M_{200c} = (13.69^{+1.56}_{-1.41}) \times 10^{14} M_\odot$. Questo valore è significativamente inferiore a $(17.77^{+2.00}_{-1.75}) \times 10^{14} M_\odot$, ottenuto da un fit sfericamente simmetrico utilizzando la stessa metodologia, evidenziando il bias introdotto dalle assunzioni di sfericità.
• Concentrazione: Il fit triassiale fornisce una concentrazione di $c_{200c} = 8.55^{+2.20}_{-1.61}$. Questo valore è coerente con il valore sfericamente simmetrico di $9.99^{+2.26}_{-1.78}$, suggerendo che l'alta concentrazione precedentemente notata in Abell 1689 non è un artefatto della triassicità o dell'orientamento.
• Pressione Non Termica: La frazione di pressione non termica è stata misurata nell'intervallo radiale 0.18–1.37 Mpc. La frazione mostra un minimo di circa il 20% ai raggi intermedi, aumentando verso il 30% sia ai raggi minimi che a quelli massimi, con una precisione di misura tipica di $\pm 5\%$.

Significatività
Il lavoro dimostra che combinare dati X-ray, SZ e WL all'interno di un framework triassiale è essenziale per ottenere misurazioni non influenzate di massa e concentrazione per i singoli ammassi di galassie. Modellando esplicitamente la geometria 3D, lo studio risolve la degenerazione tra massa ed allungamento che affligge le analisi sferiche. Inoltre, la capacità di ricostruire il profilo di massa totale in una base triassica consente una misurazione robusta del supporto di pressione non termica nelle periferie del cluster, fornendo vincoli osservativi sull'efficienza di termalizzazione del materiale in accrezione che possono essere confrontati con le simulazioni idrodinamiche. I risultati per Abell 1689 indicano specificamente che la sua alta concentrazione è una proprietà intrinseca piuttosto che un effetto di proiezione, e che la sua massa è inferiore a quanto stimato in precedenza quando si assume la simmetria sferica.