[論文レビュー] Calibration of Nonthermal Pressure in Global Dark Matter Simulations of Clusters of Galaxies

Paul Bode, Jeremiah P. Ostriker+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、宇宙論的ダークマター・シミュレーションを用いて、赤移および質量に依存する非熱的圧力分率を組み込んだ、非熱的圧力のキャリブレーションモデルを導入している。このモデルにより、標準的な静的平衡モデルと比較して、太陽・ゼルドービッチ（SZ）パワー スペクトルが24%低減され、観測とより整合性が高まり、宇宙論的解析のためのSZテンプレート精度が向上する。

ABSTRACT

We present a new method for incorporating nonthermal pressure from bulk motions of gas into an analytic model of the intracluster medium in clusters of galaxies, which is based on a polytropic equation of state and hydrostatic equilibrium inside gravitational potential wells drawn from cosmological dark matter simulations. The pressure is allowed to have thermal and nonthermal components with different radial distributions; the overall level of nonthermal support is based on the dynamical state of the halo, such that it is lower in more relaxed clusters. This level is normalized by comparison to pressure profiles derived from X-ray observations, and to a high resolution hydrodynamical simulation. The nonthermal pressure fraction measured at r_500 is typically in the range 10-20%, increasing with cluster mass and with redshift. The resulting model cluster properties are in accord with Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect observations of clusters. Inclusion of nonthermal pressure reduces the expected angular power spectrum of SZ fluctuations in the microwave sky by 24%.

研究の動機と目的

• マイクロ波域の宇宙背景で予測されたSZパワー スペクトルと観測されたSZパワー スペクトルの乖離を解消すること。
• バルクガス運動に起因する非熱的圧力を組み込むことで、静的平衡に基づく銀河団内物質（ICM）モデルの改善を図ること。
• X線観測と高解像度流体力学的シミュレーションを用いて、非熱的圧力のレベルをキャリブレーションすること。
• クラスタの質量と赤移に応じて変化する、物理的に妥当で動的状態依存の非熱的圧力モデルを構築すること。
• 近い将来のミリ波およびマイクロ波サーベイを想定した、宇宙論的パrameter推定のためのより正確なSZ信号テンプレートの作成

提案手法

• クラスタホールをモデル化するために、グローバルな宇宙論的ダークマター・シミュレーションから抽出した重力ポテンシャルウェルを用いる。
• それぞれが異なる半径分布を持つ、熱的および非熱的圧力成分を有するポリトropic状態方程式を適用する。
• 非熱的圧力分率をr500で10–20%に設定し、クラスタの質量および赤移に応じて増加させ、動的状態（落ち着いている vs. 非落ち着いている）に基づく。
• X線観測と高解像度流体力学的シミュレーションを用いて、非熱的圧力のレベルを制約するためのモデルキャリブレーションを実施する。
• キャリブレーション済みモデルを用いてSZ効果の角パワー スペクトルを計算し、標準的な静的平衡モデルと比較する。
• LRGのスタック弱レンズィング質量測定を用いて、モデルの予測が観測されたSZ信号プロファイルと一致するかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルクガス運動に起因する非熱的圧力は、太陽・ゼルドービッチ（SZ）角パワー スペクトルの予測された振幅にどのように影響するか？
• RQ2 観測的およびシミュレーション的制約に基づいて、銀河団における非熱的圧力の適切な半径的および赤移依存性は何か？
• RQ3 非熱的圧力を組み込むことで、理論的SZテンプレートと観測されたマイクロ波域パワー スペクトルの間の食い違いはどの程度軽減されるか？
• RQ4 クラスタの動的状態は、その外縁部における非熱的圧力支持の程度にどのように影響するか？
• RQ5 キャリブレーション済みで物理的に妥当な非熱的圧力モデルは、SZに基づく宇宙論的パrameter推定の精度を向上させることができるか？

主な発見

• r500における非熱的圧力分率は通常10–20%であり、クラスタの質量および赤移に応じて増加する。
• 非熱的圧力を組み込むことで、標準的な静的平衡モデルと比較して、熱的SZ角パワー スペクトルの予測値が24%低減される。
• モデルが予測するSZ信号プロファイルは、LRGからのスタックされた観測信号と測定誤差の範囲内で一致し、標準モデルを上回る性能を示す。
• SZパワー スペクトルの低減は、スペクトル形状やピークスケールの変化ではなく、主にクラスタ外縁部における熱的圧力の低減に起因する。
• パワー スペクトルのピークはl ≈ 3000でほぼ同じ位置に保たれるため、振幅の低減にもかかわらず、パワー スペクトルの形状は維持される。
• モデルは緊張を緩和するが、理論的予測と観測結果の間の緊張を完全に解消するものではない。