Halo mass measurements with the kinetic Sunyaev-Zel'dovich effect.

Abstract

In the past few years, several collaborations studying the Cosmic Microwave Background have used the kinetic Sunyaev-Zel’dovich (kSZ) effect to measure gas mass and total mass of galaxy clusters (Calafut et al., 2021; Vavagiakis et al., 2021). These assume the kSZ signal associated to the galaxy cluster is entirely caused by the ionised gas inside its virial radius, dismissing the kSZ effect caused by unbound electrons that lie next to and along the same line of sight than the clusters’. This would introduce a bias impacting the mass estimates made from kSZ measurements. This project is aimed at quantifying the free-electron contribution to the total kSZ signal along a line of sight towards a galaxy cluster/group characterised by its mass and its redshift. Two methods have been employed: a semi-analytical method, which applies linear theory and uses theoretical models from Chaves-Montero et al. (2021), Tinker et al. (2010), and Vogelsberger et al. (2020); and a numerical method, using data from an N-body simulation at z = 0 provided by Prof. Dr. Ra´ul Angulo. The results obtained from both are qualitatively compatible, with the relative free-electron contribution being greater (30 − 40%) for lower mass halos (Mhalo ≲ 1013 M⊙/h), and decreasing with mass (5 − 10% for Mhalo ≳ 1015 M⊙/h). The difference between the results obtained with the semi-analytical method and the simulation data, which is primarily seen in the growth curve of the kSZ halo contribution as a function of halo mass, may have been caused by non-linear effects which have been neglected in the linear theory approach this project has followed, although current efforts are investigating more deeply the cause of this mismatch

El estudio de la estructura a gran escala del universo es una de las ramas fundamentales de investigaci´on hoy en d´ıa en la Cosmolog´ıa f´ısica. Dentro de ella se enmarca la caracterizaci´on de c´umulos de galaxias, que son las estructras virializadas m´as grandes conocidas, as´ı como los modelos de su formaci´on y evoluci´on durante las distintas ´epocas del universo. Actualmente, se piensa que los c´umulos de galaxias (y todas las zonas sobredensas del universo) tienen su origen en las fluctuaciones primordiales de densidad del universo que crecieron a trav´es de la inestabilidad gravitacional que ocasionan, y que est´an asociadas a las fluctuaciones cu´anticas que crecieron a tama˜no macrosc´opico durante el periodo de inflaci´on. Por lo tanto, conocer las estad´ısticas de la poblaci´on de c´umulos de galaxias es una v´ıa para acotar las magnitudes de los par´ametros del modelo cosmol´ogico de concordancia. Parte de las investigaciones en el ´ambito de las anisotrop´ıas del fondo c´osmico de microondas ha aportado una nueva ventana de investigaci´on para c´umulos de galaxias por medio de interacciones entre la radiaci´on de fondo con la materia bari´onica. De entre los efectos causados por estas interacciones, este proyecto se fija en el efecto Sunyaev Zel’dovich cin´etico (kSZ) (Sunyaev and Zeldovich, 1972), que es la distorsi´on Doppler de la radiaci´on de fondo causada por el scattering Thomson entre los fotones del fondo de microondas y el medio ionizado que se mueve con respecto a ´el a una velocidad peculiar. Este efecto ha sido utilizado por varias colaboraciones (e.g la colaboraci´on ACTPol (Vavagiakis et al., 2021,Calafut et al., 2021)) recientemente para inferir las masas de gas y totales de c´umulos de galaxias. En ellas se ha observado que se asume que el flujo de kSZ a lo largo de la l´ınea de visi´on de un c´umulo proviene ´unicamente del medio intracumular. No obstante, tambi´en se espera que haya una contribuci´on a la se˜nal de kSZ por parte del gas ionizado que se mueve con velocidad peculiar fuera del halo. El objetivo de este trabajo es analizar esta contribuci´on proveniente del medio ionizado fuera del tama˜no virial de los halos compar´andola con la que viene de su interior para halos de distintas masas. Se han seguido dos m´etodos para analizar los flujos de kSZ procedentes de los halos, i.e de esferas de radio virial, y de cilindros con apertura el radio virial y profundidad variable: un m´etodo semi-anal´ıtico, que usa modelos te´oricos para caracterizar los campos de sobredensidad y de velocidad peculiar de los c´umulos de galaxias, y otro basado en los datos proporcionados por Prof. Dr. Ra´ul Angulo de un cat´alogo de halos y part´ıculas de materia oscura a redshift z = 0 obtenidos por medio de una simulaci´on de N-part´ıculas. Para el m´etodo semi-anal´ıtico se llev´o a cabo un desarrollo te´orico dentro del marco de la teor´ıa lineal de perturbaciones para modelar el campo de velocidades peculiares y se us´o un modelo de sobredensidad de gas que combinaba la contribuci´on de un halo, obtenida por Chaves-Montero et al., 2021, y la contribuci´on de los c´umulos cercanos a la l´ınea de visi´on que contribuyen al kSZ del c´umulo observado, tambi´en llamada contribuci´on a dos halos, obtenida por medio de la funci´on de masa de halos extra´ıda con datos de Ondaro-Mallea et al., 2022 y Tinker et al., 2010. El procedimiento seguido con las simulaciones consisti´o en elaborar un c´odigo que seleccionase las part´ıculas de materia oscura dentro de los vol´umenes que se quer´ıan observar (esferas de radio virial y cilindros con profundidad variable centrados en los halos) y en comparar los flujos provenientes para cada halo de una poblaci´on de halos con masas entre 1012 y 2 × 1015M⊙/h. Los resultados obtenidos por ambos m´etodos muestran que para c´umulos de bajas masas (1012 − 1013M⊙/h) la contribuci´on de electrones libres al flujo de kSZ a lo largo de la l´ınea de visi´on es del 45 − 30% para la profundidad m´axima de la l´ınea de visi´on utilizada de 512 Mpc/h. Por otra parte, para c´umulos de mayor masa virial (≳ 1015M⊙/h), esta contribuci´on de electrones libres disminuye hasta ser 10 − 5%. Los resultados de ambos m´etodos difieren cuantitativamente en cuanto al crecimiento del ratio de kSZ proveniente de los halos con la masa del halo, pero esto se podr´ıa deber a que los datos de la simulaci´on de N-part´ıculas utilizada no tienen en cuenta los efectos de la f´ısica bari´onica, mientras que los perfiles de sobredensidad de Chaves-Montero et al., 2021, s´ı tienen en cuenta estos efectos. Tambi´en es posible que se deba a procesos f´ısicos de naturaleza no lineal que afectan a la densidad y velocidad del gas que no quedan fielmente reflejados en nuestro simplificado tratamiento lineal a primer orden de perturbaciones. Se concluye que para masas de halos ≲ 1013M⊙ los resultados apuntan a que la contribuci´on de los electrones fuera del halo supone entre el 30 − 40% del flujo total de kSZ a lo largo de la l´ınea de visi´on, mientras que para masas ≳ 1015M⊙ la contribuci´on de los electrones libres cae al ∼ 10%. Se planea ampliar estos resultados en el futuro cercano utilizando simulaciones que incluyan materia bari´onica.