The cooling of gas in the centers of dark matter halos is expected to lead to a more concentrated dark matter distribution. The response of dark matter to the condensation of baryons is usually calculated using the model of adiabatic contraction, which assumes spherical symmetry and circular orbits. In contrast, halos in the hierarchical structure formation scenarios grow via multiple violent mergers and accretion along filaments, and particle orbits in the halos are highly eccentric. We study the effects of the cooling of gas in the inner regions of halos using high-resolution cosmological simulations that include gas dynamics, radiative cooling, and star formation. We find that the dissipation of gas indeed increases the density of dark matter and steepens its radial profile in the inner regions of halos compared to the case without cooling. For the first time, we test the adiabatic contraction model in cosmological simulations and find that the standard model systematically overpredicts the increase of dark matter density in the inner 5% of the virial radius. We show that the model can be improved by a simple modification of the assumed invariant from M(r)r to M()r, where r and are the current and orbit-averaged particle positions. This modification approximately accounts for orbital eccentricities of particles and reproduces simulation profiles to within 10%-20%. We present analytical fitting functions that accurately describe the transformation of the dark matter profile in the modified model and can be used for interpretation of observations.

We discuss the measurements of the galaxy cluster mass functions at z ≈ 0.05 and z ≈ 0.5 using high-quality Chandra observations of samples derived from the ROSAT PSPC All-Sky and 400 deg2 surveys. We provide a full reference for the data analysis procedures, present updated calibration of relations between the total cluster mass and its X-ray indicators (TX, Mgas, and YX) based on a subsample of low-z relaxed clusters, and present a first measurement of the evolving LX–Mtot relation (with Mtot estimated from YX) obtained from a well defined statistically complete cluster sample and with appropriate corrections for the Malmquist bias applied. Finally, we present the derived cluster mass functions, estimate the systematic uncertainties in this measurement, and discuss the calculation of the likelihood function. We confidently measure the evolution in the cluster comoving number density at a fixed mass threshold, e.g., by a factor of 5.0 ± 1.2 at M500 = 2.5 × 1014 h−1 M☉ between z = 0 and 0.5. This evolution reflects the growth of density perturbations, and can be used for the cosmological constraints complementing those from the distance–redshift relation.

We present detailed comparisons of the intracluster medium (ICM) in cosmological Eulerian cluster simulations with deep Chandra observations of nearby relaxed clusters. To assess the impact of galaxy formation, we compare two sets of simulations, one performed in the non-radiative regime and another with radiative cooling and several physical processes critical to various aspects of galaxy formation: star formation, metal enrichment and stellar feedback. We show that the observed ICM properties outside cluster cores are well-reproduced in the simulations that include cooling and star formation, while the non-radiative simulations predict an overall shape of the ICM profiles inconsistent with observations. In particular, we find that the ICM entropy in our runs with cooling is enhanced to the observed levels at radii as large as half of the virial radius. We also find that outside cluster cores entropy scaling with the mean ICM temperature in both simulations and Chandra observations is consistent with being self-similar within current error bars. We find that the pressure profiles of simulated clusters are also close to self-similar and exhibit little cluster-to-cluster scatter. The X-ray observable-total mass relations for our simulated sample agree with the Chandra measurements to \~10%-20% in normalization. We show that this systematic difference could be caused by the subsonic gas motions, unaccounted for in X-ray hydrostatic mass estimates. The much improved agreement of simulations and observations in the ICM profiles and scaling relations is encouraging and the existence of tight relations of X-ray observables, such as Yx, and total cluster mass and the simple redshift evolution of these relations hold promise for the use of clusters as cosmological probes.

Chandra observations of large samples of galaxy clusters detected in X-rays by ROSAT provide a new, robust determination of the cluster mass functions at low and high redshifts. Statistical and systematic errors are now sufficiently small, and the redshift leverage sufficiently large for the mass function evolution to be used as a useful growth of a structure-based dark energy probe. In this paper, we present cosmological parameter constraints obtained from Chandra observations of 37 clusters with 〈z〉 = 0.55 derived from 400 deg2 ROSAT serendipitous survey and 49 brightest z ≈ 0.05 clusters detected in the All-Sky Survey. Evolution of the mass function between these redshifts requires ΩΛ > 0 with a ∼5σ significance, and constrains the dark energy equation-of-state parameter to w0 = −1.14 ± 0.21, assuming a constant w and a flat universe. Cluster information also significantly improves constraints when combined with other methods. Fitting our cluster data jointly with the latest supernovae, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, and baryonic acoustic oscillation measurements, we obtain w0 = −0.991 ± 0.045 (stat) ±0.039 (sys), a factor of 1.5 reduction in statistical uncertainties, and nearly a factor of 2 improvement in systematics compared with constraints that can be obtained without clusters. The joint analysis of these four data sets puts a conservative upper limit on the masses of light neutrinos ∑mν < 0.33 eV at 95% CL. We also present updated measurements of ΩMh and σ8 from the low-redshift cluster mass function.

X-ray observations of galaxy clusters potentially provide powerful cosmological probes if systematics due to our incomplete knowledge of the ICM physics is understood and controlled. In this paper we present mock Chandra analyses of cosmological cluster simulations and assess X-ray measurements of galaxy cluster properties using a model and procedure essentially identical to that used in real data analysis. We show that reconstruction of three-dimensional ICM density and temperature profiles is excellent for relaxed clusters, but still reasonably accurate for unrelaxed systems. The total ICM mass is measured quite accurately (≲6%) in all clusters, while the hydrostatic estimate of the gravitationally bound mass is biased low by about 5%-20% through the virial region, primarily due to additional pressure support provided by subsonic bulk motions in the ICM, ubiquitous in our simulations even in relaxed systems. Gas fraction determinations are therefore biased high; the bias increases toward cluster outskirts and depends sensitively on its dynamical state, but we do not observe significant trends of the bias with cluster mass or redshift. We also find that different average ICM temperatures, such as the X-ray spectroscopic Tspec and gas-mass-weighted Tmg, are related to each other by a constant factor with a relatively small object-to-object scatter and no systematic trend with mass, redshift, or the dynamical state of clusters. We briefly discuss direct applications of our results for different cluster-based cosmological tests.

We present comparison of X-ray proxies for the total cluster mass, including the spectral temperature (Tx), gas mass measured within r500 (Mg), and the new proxy, Yx, which is a simple product of Tx and Mg and is related to the total thermal energy of the ICM. We use mock Chandra images constructed for a sample of clusters simulated with the eulerian N-body+gasdynamics adaptive mesh refinement ART code in the concordance LCDM cosmology. The simulations achieve high spatial and mass resolution and include radiative cooling, star formation, and other processes accompanying galaxy formation. Our analysis shows that simulated clusters exhibit a high degree of regularity and tight correlations between the considered observables and total mass. The normalizations of the M-Tx, Mg-Tx, and M-Yx relations agree to better than 10-15% with the current observational measurements of these relations. Our results show that Yx is the best mass proxy with a remarkably low scatter of only ~5-7% in M500 for a fixed Yx, at both low and high redshifts and regardless of whether clusters are relaxed or not. In addition, we show that redshift evolution of the Yx-M500 relation is close to the self-similar prediction, which makes Yx a very attractive mass indicator for measurements of the cluster mass function from X-ray selected samples.

We present analysis of bulk and random gas motions in the intracluster medium using high-resolution Eulerian cosmological simulations of sixteen simulated clusters, including both very relaxed and unrelaxed systems and spanning a virial mass range of 5*10^13 - 2*10^15 Msun/h. We investigate effects of the residual subsonic gas motions on the hydrostatic estimates of mass profiles and concentrations of galaxy clusters. In agreement with previous studies we find that the gas motions contribute up to ~ 5%-15% of the total pressure support in relaxed clusters with contribution increasing with cluster-centric radius. The fractional pressure support is higher in unrelaxed systems. This contribution would not be accounted for in hydrostatic estimates of the total mass profile and would lead to systematic underestimate of mass. We demonstrate that total mass can be recovered accurately if pressure due to gas motions measured in simulations is explicitly taken into account in the equation of hydrostatic equilibrium. Given that the underestimate of mass is increasing at larger radii, where gas is less relaxed and contribution of gas motions to pressure is larger, the total density profile derived from hydrostatic analysis is more concentrated than the true profile. This may at least partially explain some high values of concentrations of clusters estimated from hydrostatic analysis of X-ray data.

The ultra-diffuse galaxies DF2 and DF4 in the NGC1052 group share several unusual properties: they both have large sizes, rich populations of overluminous and large globular clusters, and very low velocity dispersions indicating little or no dark matter. It has been suggested that these galaxies were formed in the aftermath of high velocity encounters of gas rich galaxies, events that resemble the collision that created the bullet cluster but on much smaller scales. The gas separates from the dark matter in the collision and subsequent star formation leads to the formation of one or more dark matter-free galaxies. Here we show that the present-day line-of-sight distances and radial velocities of DF2 and DF4 are consistent with their joint formation in the aftermath of a single bullet-dwarf collision, around eight billion years ago. Moreover, we find that DF2 and DF4 are part of an apparent linear substructure of 7-11 large, low-luminosity objects. We propose that these all originated in the same event, forming a trail of dark matter-free galaxies that is more than 2 Mpc long and angled 7 +- 2 degrees from the line of sight. We also tentatively identify the highly dark matter-dominated remnants of the two progenitor galaxies that are expected at the leading edges of the trail.

Abstract Galaxy formation models within cosmological hydrodynamical simulations contain numerous parameters with nontrivial influences over the resulting properties of simulated cosmic structures and galaxy populations. It is computationally challenging to sample these high dimensional parameter spaces with simulations, in particular for halos in the high-mass end of the mass function. In this work, we develop a novel sampling and reduced variance regression method, CARPoolGP , which leverages built-in correlations between samples in different locations of high dimensional parameter spaces to provide an efficient way to explore parameter space and generate low-variance emulations of summary statistics. We use this method to extend the Cosmology and Astrophysics with machinE Learning Simulations to include a set of 768 zoom-in simulations of halos in the mass range of 10 13 –10 14.5 M ⊙ h −1 that span a 28-dimensional parameter space in the IllustrisTNG model. With these simulations and the CARPoolGP emulation method, we explore parameter trends in the Compton Y – M , black hole mass–halo mass, and metallicity–mass relations, as well as thermodynamic profiles and quenched fractions of satellite galaxies. We use these emulations to provide a physical picture of the complex interplay between supernova and active galactic nuclei feedback. We then use emulations of the Y – M relation of massive halos to perform Fisher forecasts on astrophysical parameters for future Sunyaev–Zeldovich observations and find a significant improvement in forecasted constraints. We publicly release both the simulation suite and CARPoolGP software package.

Abstract Galaxy cluster mergers are rich sources of information to test cluster astrophysics and cosmology. However, cluster mergers produce complex projected signals that are difficult to interpret physically from individual observational probes. Multi-probe constraints on the gas and dark matter (DM) cluster components are necessary to infer merger parameters that are otherwise degenerate. We present Improved Constraints on Mergers with SZ, Hydrodynamical simulations, Optical, and X-ray (ICM-SHOX), a systematic framework to jointly infer multiple merger parameters quantitatively via a pipeline that directly compares a novel combination of multi-probe observables to mock observables derived from hydrodynamical simulations. We report a first application of the ICM-SHOX pipeline to MACS J0018.5+1626, wherein we systematically examine simulated snapshots characterized by a wide range of initial parameters to constrain the MACS J0018.5+1626 merger geometry. We constrain the epoch of MACS J0018.5+1626 to the range 0–60 Myr post-pericenter passage, and the viewing angle is inclined ≈27°–40° from the merger axis. We obtain constraints for the impact parameter (≲250 kpc), mass ratio (≈1.5–3.0), and initial relative velocity when the clusters are separated by 3 Mpc (≈1700–3000 km s −1 ). The primary and secondary clusters initially (at 3 Mpc) have gas distributions that are moderately and strongly disturbed, respectively. We discover a velocity space decoupling of the DM and gas distributions in MACS J0018.5+1626, traced by cluster-member galaxy velocities and the kinematic Sunyaev–Zel'dovich effect, respectively. Our simulations indicate this decoupling is dependent on the different collisional properties of the two distributions for particular merger epochs, geometries, and viewing angles.