[論文レビュー] Astrophysics with the Spatially and Spectrally Resolved Sunyaev-Zeldovich Effects: A Millimetre/Submillimetre Probe of the Warm and Hot Universe

Tony Mroczkowski, Daisuke Nagai+16 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Nov 6, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 16被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、温かくも熱い銀河団間物質（WIM/HIM）をミリ波/サブミリ波で探査するための空間的・スペクトル的分解能を持つサンヤエフ＝ツェルドビチ効果（SZ効果）の利用をレビューしている。熱的、運動的、相対論的、非熱的、偏光したSZ効果が、銀河団物理学、大規模構造、および欠落しているバリオンの理解に新たな知見をもたらすことを強調している。スタックされたSZ測定は、$z \sim 1$における宇宙の網構造および周銀河媒体（CGM）を、合成されたSPTデータから$2\sigma$の有意性で検出可能であり、今後の機器（例：TolTEC）により、銀河団の外縁部およびフィードバックの痕跡を高精度でマッピングできるようになると示している。

ABSTRACT

In recent years, observations of the Sunyaev-Zeldovich (SZ) effect have had significant cosmological implications and have begun to serve as a powerful and independent probe of the warm and hot gas that pervades the Universe. As a few pioneering studies have already shown, SZ observations both complement X-ray observations -- the traditional tool for studying the intra-cluster medium -- and bring unique capabilities for probing astrophysical processes at high redshifts and out to the low-density regions in the outskirts of galaxy clusters. Advances in SZ observations have largely been driven by developments in centimetre-, millimetre-, and submillimetre-wave instrumentation on ground-based facilities, with notable exceptions including results from the Planck satellite. Here we review the utility of the thermal, kinematic, relativistic, non-thermal, and polarised SZ effects for studies of galaxy clusters and other large scale structures, incorporating the many advances over the past two decades that have impacted SZ theory, simulations, and observations. We also discuss observational results, techniques, and challenges, and aim to give an overview and perspective on emerging opportunities, with the goal of highlighting some of the exciting new directions in this field.

研究の動機と目的

• 温かくも熱い銀河団間物質の熱力学的・力学的性質を探査するための、理論的・計算的・観測的SZ効果の最近の進展を統合すること。
• 特に外縁部および高赤方偏移領域において、銀河団および大規模構造の研究におけるSZ観測とX線観測の相補性を評価すること。
• スタックされたSZ測定が、宇宙の網構造および周銀河媒体（CGM）における欠落しているバリオンを検出する可能性を評価すること。
• 現在および今後のミリ波/サブミリ波機器の能力を、ICMの小構造およびフィードバックの痕跡をSZ効果によって解明する観点から概説すること。
• AGNフィードバック、乱流、磁場を調べるための偏光および非熱的SZ効果の有効性を検討すること。

提案手法

• 本稿は、放射線輸送およびプラズマ物理学に裏打ちされた、熱的、運動的、相対論的、非熱的、偏光したSZ効果の理論的モデルの包括的レビューを採用している。
• 流体力学的シミュレーションおよび半解析的モデルを用いて、銀河団の外縁部、AGNフィードバック、宇宙の網構造のフィラメントからのSZシグナルを予測しており、ハローのガスに対してNFWおよびセドフのプロファイルを含む。
• 本研究は、実データおよびシミュレーテッドデータにスタック解析技術を適用し、CARMAおよびALMAの可視度データと、PlanckおよびSPTのマップを統合して、低表面輝度のSZシグナルを検出している。
• キャビティの抑制およびフィードバックエネルギー注入を評価するために、熱的および非熱的電子集団からのコンプトン$y$パラメータをモデル化している。
• ビームサイズ、ノイズ、$uv$サンプリングのシミュレーションを用いて、近い将来の機器（例：TolTEC、MUSTANG-2、NIKA2）の感度および分解能を予測している。
• ALMA、ACAなどの干渉計測定法と、TolTEC、SPTなどの直接検出法を比較し、大規模構造および小規模構造のICM構造を回復する能力を評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的・スペクトル的分解能を持つSZ効果は、X線データと比較して、銀河団内物質（ICM）の熱力学的性質および圧力プロファイルをどの程度よく制約できるか？
• RQ2 スタックされたSZ測定は、$z \sim 1$における宇宙の網構造および周銀河媒体（CGM）をどの程度検出可能であり、その検出の有意性はいかほどか？
• RQ3 銀河団の外縁部およびAGNフィードバック領域における運動的SZ（kSZ）および非熱的SZ（ntSZ）シグナルを解像するための観測的および機器的課題は何か？
• RQ4 相対論的および偏光したSZ効果は、乱流および磁場を含む銀河団物理学の診断をどの程度向上させるか？
• RQ5 次世代機器（例：TolTEC、MUSTANG-2）は、銀河団コアからフィラメントに至るスケールにわたり、SZ効果をどの程度マッピングできるか？

主な発見

• SPT調査における3394体の巨大で静止した銀河（$0.5 < z < 1$）のスタックされたSZ測定から、2.1 mmにおけるコンプトン$y$パラメータが$2\sigma$で検出され、周銀河媒体に熱いガスが存在することを示している。
• シミュレーションにより、$z=1$における$10^{12} M_\odot$の楕円銀河に中心部からのエネルギー注入（$3 \times 10^{61}$エールグ）が行われると、セドフに類似た$y$-プロファイルが生成され、2000個の銀河をスタックした際に、TolTECの予測ノイズを上回る信号レベルが得られることを示している。
• 模擬されたALMAおよびACA観測から、干渉計は大規模構造をフィルタリングする傾向にあり、90 GHzにおけるALMA 12mアレイは主ビームスケールの$60\%$しか回復できないが、ACAはより大きなスケールを回復している。
• 運動的SZ効果により、銀河団合体における大規模な流れおよび衝撃波の検出が可能であり、ALMAなどの高分解能干渉計を用いたkSZマッピングが可能である。
• AGN駆動の気泡に由来する相対論的電子による非熱的SZ効果は、一部の領域で熱的$y$-シグナルを最大$\sim 30\%$まで抑制しており、これは電子エネルギー分布のプローブとしてMS0735.6+7421で観測されている。
• 偏光SZ効果およびスタックされた$y$-シグナルの非対称性により、フィラメント位置で残差マップに$\sim 5\sigma$の過剰が確認され、PlanckデータにおけるSZ非均一性を通じて大規模構造の検出が確認された。