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

Enunciado do Problema
O conteúdo de energia térmica do Universo codifica informações críticas sobre a formação e evolução da estrutura cósmica, refletindo a interplay entre o crescimento da estrutura cosmológica e mecanismos de feedback bariônico (por exemplo, AGN e supernovas). Embora o efeito Sunyaev-Zel'dovich térmico (tSZ) forneça uma sonda desse reservatório térmico, extrair a história térmica ($d y/d z$) das observações requer um modelo para a pressão média do elétron ponderada pelo viés ($\langle b_h P_e \rangle$). Estudos anteriores recorreram à formalidade do modelo de halos para corrigir o viés, mas as incertezas sobre como o viés depende da cosmologia e da física bariônica não foram totalmente elucidadas. Além disso, há a necessidade de compreender as degenerescências entre parâmetros cosmológicos (como $S_8$) e o feedback bariônico ao interpretar medições de correlação cruzada tSZ com traçadores de estrutura em grande escala.

Metodologia
Os autores utilizam a suite de simulações hidrodinâmicas cosmológicas FLAMINGO, que abrange volumes de até $(2.8 \text{ Gpc})^3$ e inclui 18 variantes cobrindo diferentes parâmetros cosmológicos (especificamente $S_8$, massa do neutrino e $\Omega_m$) e implementações de feedback bariônico. As simulações empregam o método SPH (SPHENIX) e são calibradas contra funções de massa estelar de galáxias observadas e frações de gás em aglomerados utilizando emuladores de aprendizado de máquina.

O estudo emprega duas abordagens complementares para analisar assinaturas de pressão térmica:

1. Espectros de Potência 3D: A pressão média do elétron ponderada pelo viés $\langle b_h P_e \rangle$ é medida a partir da razão entre o espectro cruzado matéria-pressão do elétron e o espectro de potência automático da matéria no limite de grande escala ($k < 0.03 \, h/\text{Mpc}$).
2. Mapas de Cone de Luz: Mapas de Compton-$y$ de todo o céu são construídos a partir de cones de luz de partículas para quantificar diretamente o sinal tSZ integrado e derivar a história térmica $d y/d z$ sem depender de modelos de viés.

Os autores comparam esses resultados de simulação com medições de correlação cruzada observacionais existentes do SDSS, BOSS, eBOSS, DES e DESI contra mapas tSZ do Planck. Eles também avaliam a precisão do modelo de halo auto-similar padrão na previsão do viés de halo ponderado por $y$ ($b_y$).

Principais Contribuições

• Parametrização de $\langle b_h P_e \rangle$: Os autores derivam uma parametrização fenomenológica compacta para $\langle b_h P_e \rangle$ em função do desvio para o vermelho, cosmologia (especificamente $S_8$) e a fração bariônica de halos de massa de grupo ($f_b$).
• Caracterização do Viés: Eles computam o viés de halo ponderado por $y$ diretamente das simulações e comparam-no com as previsões do modelo de halo, identificando onde a suposição auto-similar falha.
• Reconstrução da História Térmica: O estudo reconstrói a história térmica $d y/d z$ e o monopolo de Compton-$y$ médio no céu usando tanto medições de pressão corrigidas pelo viés quanto integração direta de mapas.
• Feedback vs. Cosmologia: O trabalho desvenda os efeitos da cosmologia e do feedback bariônico, demonstrando que seus impactos em $\langle b_h P_e \rangle$ são separáveis em baixo desvio para o vermelho, mas degenerados em desvios para o vermelho mais altos.

Resultados

• Dependência Cosmológica: $\langle b_h P_e \rangle$ escala abruptamente com $S_8$, seguindo uma relação efetiva $\langle b_h P_e \rangle \propto S_8^{\epsilon(z)}$ onde $\epsilon(z) \approx 3$ sobre $0.1 \le z \le 1$. Modelos com $S_8$ mais alto (por exemplo, cosmologia do Planck) superestimam sistematicamente os dados observacionais, enquanto modelos com $S_8$ mais baixo (por exemplo, cosmologia LS8, $S_8=0.766$) fornecem um ajuste melhor.
• Dependência do Feedback Bariônico: Ao contrário das análises de lente gravitacional fraca, onde o feedback forte suprime a potência em pequenas escalas, o feedback AGN mais forte aumenta o sinal de $\langle b_h P_e \rangle$ em grande escala. Isso ocorre porque o feedback redistribui a energia térmica dos núcleos dos halos para escalas maiores (o regime de dois halos), aumentando o sinal de pressão nas escalas sondadas pelas correlações cruzadas.
• Inferência Conjunta: Um ajuste conjunto aos dados observacionais usando a parametrização derivada resulta em $S_8 = 0.72^{+0.03}_{-0.03}$ e uma fração bariônica de halo de massa de grupo normalizada em $z=0.1$ de $f_b(10^{13} M_\odot, z=0.1)/(\Omega_b/\Omega_m) = 0.10^{+0.09}_{-0.05}$. O modelo com o menor $S_8$ e o feedback mais forte ($LS8-f_{gas}-8\sigma$) fornece a melhor correspondência com as observações.
• Viés e História Térmica: O viés de halo ponderado por $y$ aumenta com o desvio para o vermelho, mas desvia das previsões do modelo de halo auto-similar em $z \gtrsim 2.5$, atribuído a desvios na relação de escala $Y-M$ em relação à auto-similaridade. A história térmica atinge o pico em $z \approx 0.5-1$. Aproximadamente 45% do sinal $d y/d z$ origina-se dentro de $r_{200c}$ de halos, com o restante surgindo do meio intergaláctico difuso e das bordas dos halos; essa fração é controlada principalmente pela força do feedback e não pela cosmologia.
• Restrições do Monopolo: O monopolo $y$ médio no céu inferido a partir dos modelos LS8 concorda bem com estimativas observacionais recentes (Chiang et al. 2020), enquanto os modelos da cosmologia do Planck preveem valores mais altos.

Significância
O artigo demonstra que a história térmica do Universo, sondada via correlações cruzadas tSZ, oferece uma rota poderosa para restringir simultaneamente parâmetros cosmológicos (especificamente $S_8$) e testar modelos de formação de galáxias. O estudo destaca que o sinal de pressão térmica é sensível ao feedback de uma maneira distinta do cisalhamento cósmico, fornecendo um teste novo para modelos de feedback bariônico. A parametrização desenvolvida permite a inclusão eficiente de dados de correlação cruzada tSZ em pipelines de inferência cosmológica, potencialmente quebrando degenerescências entre cosmologia e física bariônica quando combinada com dados de baixo desvio para o vermelho que são menos sensíveis ao feedback. Os resultados sugerem uma preferência por cosmologias de baixo $S_8$ e modelos de feedback forte, consistentes com análises recentes de espectro de potência e espectro cruzado tSZ, embora permaneçam em tensão com as restrições primárias da CMB.