@misc{10902/29812,
year = {2022},
month = {7},
url = {https://hdl.handle.net/10902/29812},
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.},
abstract = {El estudio de la estructura a gran escala del universo es una de las ramas fundamentales de investigación hoy en día en la Cosmología física.  Dentro de ella se enmarca la caracterización de cúmulos de galaxias, que son las estructuras virilizadas más grandes conocidas, así como los modelos de su formación y evolución durante las distintas épocas del universo.  Actualmente, se piensa que los cúmulos de galaxias (y todas las zonas sobredensas del universo) tienen su origen en las fluctuaciones primordiales de densidad del universo que crecieron a través de la inestabilidad gravitacional que ocasionan, y que están asociadas a las fluctuaciones cuánticas que crecieron a tamaño macroscópico durante el periodo de inflación.  Por lo tanto, conocer las estadísticas de la población de cúmulos de galaxias es una vía para acotar las magnitudes de los parámetros del modelo cosmológico de concordancia.
Parte de las investigaciones en el ámbito de las anisotropías del fondo cósmico de microondas ha aportado una nueva ventana de investigación para cúmulos de galaxias por medio de interacciones entre la radiación de fondo con la materia bariónica.  De entre los efectos causados por estas interacciones, este proyecto se fija en el efecto Sunyaev Zel’dovich cinético (kSZ) (Sunyaev and Zeldovich, 1972), que es la distorsión Doppler de la radiación 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 (ej. la colaboración ACTPol (Vavagiakis et al., 22021, Calafutet al., 2021)) recientemente para inferir las masas de gas y totales de cúmulos de galaxias.  En ellas se ha observado que se asume que el flujo de kSZ a lo largo de la línea de visión de un cúmulo proviene únicamente del medio intracumular.  No obstante, también se espera que haya una contribución a la señal de kSZ por parte del gas ionizado que se mueve con velocidad peculiar fuera del halo. El objetivo de este trabajo es analizar esta contribución proveniente del medio ionizado fuera del tamaño virial de los halos comparándola con la que viene de su interior para halos de distintas masas.
Se han seguido dos métodos 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 método semi-analítico, que  usa  modelos  teóricos  para  caracterizar  los  campos  de  sobredensidad  y  de  velocidad  peculiar  de  los cúmulos  de  galaxias,  y  otro  basado  en  los  datos  proporcionados  por  Prof.   Dr.   Raúl Angulo de un catálogo de halos y partículas de materia oscura a redshift z = 0 obtenidos por medio de una simulación de N-partículas.  Para el método semi-analitico se llevó a cabo un desarrollo teórico dentro del marco de la  teoría  lineal  de  perturbaciones  para  modelar  el  campo  de  velocidades  peculiares  y  se  usó  un  modelo de sobredensidad de gas que combinaba la contribución de un halo, obtenida por Chaves-Montero et al., 2021,  y la contribución de los cúmulos cercanos a la línea de visión que contribuyen al kSZ del cúmulo observado, también llamada contribución a dos halos, obtenida por medio de la función de masa de halos extraída con datos de Ondaro-Mallea et al., 2022 y Tinker et al., 2010. El procedimiento seguido con las simulaciones consistió en elaborar un código que seleccionase las partículas de materia oscura dentro de los volúmenes que se querían 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 población de halos con masas entre 1012 y 2 × 1015M⊙/h.
Los resultados obtenidos por ambos métodos muestran que para cúmulos de baja masa (1012 − 1013M⊙/h) la contribución de electrones libres al flujo de kSZ a lo largo de la línea de visión es del 45 − 30% para la profundidad máxima de la línea de visión utilizada de 512 Mpc/h.  Por otra parte, para cúmulos de mayor masa virial (≳ 1015M⊙/h), esta contribución de electrones libres disminuye hasta ser 10 − 5%.   Los resultados de ambos métodos difieren cuantitativamente en cuanto al crecimiento de la fracción de kSZ proveniente de los halos con la masa del halo, pero esto se podría deber a que los datos de la simulación de N-partículas utilizada no tienen en cuenta los efectos de la física bariónica, mientras que los perfiles de sobredensidad de Chaves-Montero et al., 2021, sí tienen en cuenta estos efectos.  También es posible que se deba a procesos físicos 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 contribución de los electrones fuera del halo supone entre el 30 − 40% del flujo total de kSZ a lo largo de la línea de visión, mientras que para masas ≳ 1015M⊙ la contribución de los electrones libres cae al ∼ 10%. Se planea ampliar estos resultados en el futuro cercano utilizando simulaciones que incluyan materia bariónica.},
title = {Halo mass measurements with the kinetic Sunyaev-Zel’dovich effect},
author = {Isla Llave, Mónica Natalia},
}