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

技術要約：銀河と宇宙分散量（Dispersion Measures）の相互相関

問題と動機
バリオン物質の分布、特にダークマターハロー内の高温ガスの理解は、宇宙論における極めて重要な課題である。IllustrisTNGなどの流体シミュレーションは、特定のガス対ハロー質量関係を予測しているが、これらのモデルは検証が必要なフィードバック過程のサブグリッド・レシピに依存している。現在の制約は、電子温度に関する仮定や点光源からの混入によって制限されることが多いX線放射やSunyaev-Zel'dovich（SZ）効果に依存している。高速ラジオバースト（FRB）は、その分散量（DM）を通じて自由電子のユニークなプローブとなる。しかし、特定のハロー質量範囲のガス量を制約するためにFRBを利用するには、精密な位置特定と、天の川銀河およびFRBホスト銀河からの寄与から宇宙DM成分をロバストに分離する必要がある。本論文は、低赤方偏移銀河をホストとするハローの高温ガス質量分率に対する、直接的かつ温度に依存しない制約を得るための、局在化したFRBと銀河カタログの相互相関によるアプローチに取り組むものである。

手法
著者らは、2MASS（Two Micron All Sky Survey）銀河カタログと、133個の局在化したFRB（Takahashi et al. 2025にまとめられたもの）との間の相互相関分析を行う。

• データセット: 前景サンプルは、赤方偏移による完備性を重み付けした、スぺクトロスコピーによる赤方偏移を持つ43,533個の2MASS銀河（$z \sim 0.03$）で構成される。背景サンプルは、正確なホスト銀河の同定が行われた133個のFRBで構成される。
• 推定関数: 銀河の過密度とFRBの分散量の間の相関を、共動距離 $R$ の関数として測定するために、新しい実空間相互相関推定関数 $\hat{\xi}_{gd}(R)$ を導入する。
  • 背景選択: 前景銀河の赤方偏移における中間銀河物質（IGM）および銀河周囲物質（CGM）を孤立させるため、著者らは $z_s \geq z_g + \Delta z$ （ここで $\Delta z = 0.05$）を満たすFRBを選択する。
  • 残留DM: 推定関数は、天の川銀河の寄与と平均的な宇宙背景を差し引いた残留分散量 $\Delta DM$ を使用するが、モデル依存性を避けるために、ホスト銀河の成分は意図的に差し引かない。
  • 系統誤差の制御: 背景選択が散乱効果やホスト銀河の誤同定によって損なわれていないことを検証するために、「ブーストファクター」を算出する。分析には、共分散行列と統計的不確実性を推定するためにジャックナイフ法（40個のサブリージョン）を用いる。
• 理論的モデリング: 予測は、ハローモデルの枠組み（Cooray & Sheth 2002）を用いて生成される。
  • 銀河分布: 2MASS銀河のハロー占有分布（HOD）は、Ando et al. (2018) によって制約されている。
  • 電子密度: 自由電子密度プロファイルは、初期段階ではIllustrisTNG-300 (TNG300) 流体シミュレーションから描かれる。
  • 現象論的修正: TNG300の予測の頑健性をテストするため、低質量ハローからの寄与を減少させる目的で、モデル内のガス質量に対して現象論的なカットオフ関数（$\tanh(M_{500}/M_{cut})$）を適用する。

主な結果

• 検出なし: 相互相関信号 $\xi_{gd}(R)$ は、$0.01 < R [h^{-1}\text{Mpc}] < 1$ の範囲で測定される。測定値はこの範囲全体で、有意な信号が得られず（信号対雑音比 $\sim 2\sigma$）、ゼロ（null）の結果と一致している。
• TNG300との不一致: TNG300に基づく予測は、小スケール（$R \sim 0.01 h^{-1}\text{Mpc}$）において相互相関信号を大幅に過大評価している。この不一致は、シミュレーションが $10^{12}–10^{13} M_\odot$ の質量を持つハロー内に高温ガスを予測しすぎていることを示している。
• ガス分率の制約:
  • 現象論的なカットオフを導入することで、著者らは95%信頼区間でカットオフ質量 $M_{cut} > 1 \times 10^{12} M_\odot$ という下限値を導出した。
  • これは、$10^{12}–10^{13} M_\odot$ のハローにおける高温ガスの質量分率は、全バリオン分率の $\sim 10\%$ 未満（または $f_{gas,hot} \lesssim 0.03$）であることを意味する。
  • この制約は、X線スタッキング（Popesso et al. 2024）や熱的SZ測定（Lim et al. 2021）から得られた制限と一致しているが、電子温度の仮定に依存しない直接的な推定を提供している。
• モデルの感度: 分析により、$R \sim 0.01 h^{-1}\text{Mpc}$ における信号は、電子密度の詳細な半径方向分布よりも、グループ規模のハローにおける総ガス質量分率に対して主に敏感であることが示された。

意義と主張
本論文は、銀河・FRB相互相関が、銀河形成におけるバリオン・フィードバック過程の強力かつ独立したプローブを提供すると主張している。精密な赤方偏移情報を用いて背景源を選択することにより、この手法は前景銀河周囲の自由電子密度を効果的に孤立させることができる。結果は、現在の流体シミュレーション（具体的にはTNG300）が、観測データと一致させるために、$10^{12}–10^{13} M_\odot$ のハロー内の高温ガス含有量を減少させる、より強力なフィードバック機構を必要としている可能性を示唆している。著者らは、現在のサンプルサイズ（約100個のFRB）が統計的な精度を制限しているものの、本手法はホスト銀河の混入や散乱に関する系統誤差に対して頑健であることを強調している。彼らは、より多くの局在化したFRBを用いた将来のサーベイが、宇宙の高温ガス含有量のより精密なマッピングと、バリオン・フィードバックの進化に関するより厳格な制約を可能にすると結論付けている。