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

Enunciato del Problema
Il contenuto di energia termica dell'Universo codifica informazioni critiche riguardo alla formazione e all'evoluzione della struttura cosmica, riflettendo l'interazione tra la crescita della struttura cosmologica e i meccanismi di feedback barionico (ad esempio, AGN e supernove). Sebbene l'effetto Sunyaev-Zel'dovich termico (tSZ) fornisca una sonda di questo serbatoio termico, l'estrazione della storia termica ($d y/d z$) dalle osservazioni richiede un modello per la pressione media degli elettroni ponderata dal bias ($\langle b_h P_e \rangle$). Studi precedenti si sono basati sulla formalità del modello di alone per correggere il bias, ma le incertezze riguardanti come il bias dipenda dalla cosmologia e dalla fisica barionica non sono state completamente chiarite. Inoltre, è necessario comprendere le degenerazioni tra i parametri cosmologici (come $S_8$) e il feedback barionico nell'interpretare le misurazioni di cross-correlazione tSZ con traccianti della struttura su larga scala.

Metodologia
Gli autori utilizzano la suite di simulazioni idrodinamiche cosmologiche FLAMINGO, che copre volumi fino a $(2.8 \text{ Gpc})^3$ e include 18 varianti che coprono diversi parametri cosmologici (in particolare $S_8$, massa del neutrino e $\Omega_m$) e implementazioni del feedback barionico. Le simulazioni impiegano il metodo SPH (SPHENIX) e sono calibrate contro le funzioni di massa stellare delle galassie osservate e le frazioni di gas degli ammassi utilizzando emulatori basati sull'apprendimento automatico.

Lo studio impiega due approcci complementari per analizzare le firme della pressione termica:

1. Spettri di Potenza 3D: La pressione media degli elettroni ponderata dal bias $\langle b_h P_e \rangle$ è misurata dal rapporto tra lo spettro incrociato materia-pressione degli elettroni e lo spettro di potenza automatico della materia nel limite delle grandi scale ($k < 0.03 \, h/\text{Mpc}$).
2. Mappe di Lightcone: Mappe Compton-$y$ a tutto cielo sono costruite a partire da lightcone di particelle per quantificare direttamente il segnale tSZ integrato e derivare la storia termica $d y/d z$ senza fare affidamento su modelli di bias.

Gli autori confrontano questi risultati di simulazione con misurazioni di cross-correlazione osservative esistenti da SDSS, BOSS, eBOSS, DES e DESI rispetto alle mappe tSZ di Planck. Valutano inoltre l'accuratezza del modello di alone autosimilare standard nel prevedere il bias dell'alone ponderato per $y$ ($b_y$).

Contributi Chiave

• Parametrizzazione di $\langle b_h P_e \rangle$: Gli autori derivano una parametrizzazione fenomenologica compatta per $\langle b_h P_e \rangle$ in funzione del redshift, della cosmologia (in particolare $S_8$) e della frazione barionica degli aloni di massa di gruppo ($f_b$).
• Caratterizzazione del Bias: Calcolano il bias dell'alone ponderato per $y$ direttamente dalle simulazioni e lo confrontano con le previsioni del modello di alone, identificando dove l'assunzione autosimilare si rompe.
• Ricostruzione della Storia Termica: Lo studio ricostruisce la storia termica $d y/d z$ e il monopolo Compton-$y$ mediato su tutto il cielo utilizzando sia misurazioni di pressione corrette per il bias sia l'integrazione diretta delle mappe.
• Feedback vs Cosmologia: Il lavoro separa gli effetti della cosmologia e del feedback barionico, dimostrando che il loro impatto su $\langle b_h P_e \rangle$ è separabile a basso redshift ma degenerato a redshift più elevati.

Risultati

• Dipendenza Cosmologica: $\langle b_h P_e \rangle$ scala ripidamente con $S_8$, seguendo una relazione efficace $\langle b_h P_e \rangle \propto S_8^{\epsilon(z)}$ dove $\epsilon(z) \approx 3$ nell'intervallo $0.1 \le z \le 1$. I modelli con $S_8$ più alto (ad esempio, cosmologia Planck) sovrastimano sistematicamente i dati osservativi, mentre i modelli con $S_8$ più basso (ad esempio, cosmologia LS8, $S_8=0.766$) forniscono un migliore adattamento.
• Dipendenza dal Feedback Barionico: Contrariamente alle analisi di lente gravitazionale debole dove un feedback forte sopprime la potenza su piccola scala, un feedback AGN più forte aumenta il segnale $\langle b_h P_e \rangle$ su larga scala. Ciò avviene perché il feedback ridistribuisce l'energia termica dai nuclei degli aloni verso scale più grandi (il regime a due aloni), potenziando il segnale di pressione sulle scale sondate dalle cross-correlazioni.
• Inferenza Congiunta: Un adattamento congiunto ai dati osservativi utilizzando la parametrizzazione derivata produce $S_8 = 0.72^{+0.03}_{-0.03}$ e una frazione barionica normalizzata degli aloni di massa di gruppo a $z=0.1$ di $f_b(10^{13} M_\odot, z=0.1)/(\Omega_b/\Omega_m) = 0.10^{+0.09}_{-0.05}$. Il modello con il $S_8$ più basso e il feedback più forte ($LS8-f_{gas}-8\sigma$) fornisce il miglior accordo con le osservazioni.
• Bias e Storia Termica: Il bias dell'alone ponderato per $y$ aumenta con il redshift ma devia dalle previsioni del modello di alone autosimilare a $z \gtrsim 2.5$, attribuito a deviazioni nella relazione di scala $Y-M$ rispetto all'autosimilarità. La storia termica raggiunge il picco a $z \approx 0.5-1$. Circa il 45% del segnale $d y/d z$ origina all'interno di $r_{200c}$ degli aloni, mentre il resto proviene dal mezzo intergalattico diffuso e dalle periferie degli aloni; questa frazione è controllata principalmente dall'intensità del feedback piuttosto che dalla cosmologia.
• Vincoli sul Monopolo: Il monopolo $y$ mediato su tutto il cielo inferito dai modelli LS8 concorda bene con le recenti stime osservative (Chiang et al. 2020), mentre i modelli della cosmologia Planck prevedono valori più alti.

Significato
Il documento dimostra che la storia termica dell'Universo, sondata tramite cross-correlazioni tSZ, offre una via potente per vincolare simultaneamente i parametri cosmologici (in particolare $S_8$) e testare modelli di formazione galattica. Lo studio evidenzia che il segnale di pressione termica è sensibile al feedback in un modo distinto dallo shear cosmico, fornendo un nuovo test per i modelli di feedback barionico. La parametrizzazione sviluppata consente l'inclusione efficiente dei dati di cross-correlazione tSZ nelle pipeline di inferenza cosmologica, potenzialmente rompendo le degenerazioni tra cosmologia e fisica barionica quando combinati con dati a basso redshift meno sensibili al feedback. I risultati suggeriscono una preferenza per cosmologie a basso-$S_8$ e modelli di feedback forte, coerenti con le recenti analisi dello spettro di potenza e dello spettro incrociato tSZ, sebbene rimangano in tensione con i vincoli del CMB primario.