[論文レビュー] Cluster richness-mass calibration with cosmic microwave background lensing

J. E. Geach, J. A. Peacock|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、プランク衛星からの宇宙マイクロ波背景（CMB）レンズ効果を用いて、26,111個の赤マップパー（redMaPPer）で選別されたクラスタの周りに収束信号をスタックし、光学的クラスターリッチネスを全質量に対して校正する。リッチネス-質量関係の校正精度を10%レベルに達成し、クラスタの物性に依存しない、バリオンに影響されない信頼性の高い質量測定を実現。4つのリッチネス・ビンにおいて、信号対雑音比は3.2–6.8σに達する。

ABSTRACT

Identifying galaxy clusters through overdensities of galaxies in photometric surveys is the oldest and arguably the most economic and mass-sensitive detection method, compared to X-ray and Sunyaev-Zel'dovich Effect surveys that detect the hot intracluster medium. However, a perennial problem has been the mapping of optical 'richness' measurements on to total cluster mass. Emitted at a conformal distance of 14 Gpc, the cosmic microwave background acts as a backlight to all intervening mass in the Universe, and therefore has been gravitationally lensed. Here we present a calibration of cluster optical richness at the 10 per cent level by measuring the average cosmic microwave background lensing convergence measured by Planck towards the positions of large numbers of optically-selected clusters, detecting the deflection of photons by haloes of total mass of the order 10**14 solar masses. Although mainly aimed at the study of larger-scale structures, the Planck lensing reconstruction can yield nearly unbiased results for stacked clusters on arcminute scales. The lensing convergence only depends on the redshift integral of the fractional overdensity of matter, so this approach offers a clean measure of cluster mass over most of cosmic history, largely independent of baryon physics.

研究の動機と目的

• バリオン物理学に依存しない方法で、光学的リッチネス（λ）を全クラスタ質量（M）に校正すること。
• 宇宙の歴史にわたって、クラスタ質量をきれいな偏りのないプローブとしてCMBレンズ効果を活用すること。
• tSZ汚染やレンズ効果推定子のバイアスといった系誤差が収束測定に与える影響を評価すること。
• ハロー濃度と赤方偏移の進化に関する不確実性に対するリッチネス-質量関係のロバストネスを定量化すること。

提案手法

• 赤マップパーによる選別で得られた26,111個の光学的クラスタの周囲に、リッチネスλごとに分けたプランクCMBレンズ効果収束マップをスタックする。
• CMB温度および偏光非一様性から、二次推定子法を用いて収束κを再構築し、ℓ > 2048のモードをフィルタリングする。
• 投影質量のNFWプロファイルをモデル化するためのマッチドフィルタ技術を用い、スタックされた収束信号をフィッティングすることでクラスタ質量を推定する。
• tSZ汚染あり・なしのエンドツーエンドのシミュレーションを実施し、収束振幅のバイアスを評価。高質量領域では0.5–2%の過小評価が生じるが、統計的不確実性に比べて無視できる。
• フー（2001）のレンズ効果推定子のスケール依存応答が小スケールでバイアスを引き起こす可能性を検証。高通過フィルタ（ℓ > 2048）によりこのバイアスは無視できるほど小さくなる。
• ハロー濃度のc(M,z)関係に実証的不確実性を組み込み、変動を評価。質量推定値は最大で≤6%の変動を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMBレンズ効果は、バリオンに影響されず、信頼性の高いクラスターリッチネス-全質量校正を可能にするか？
• RQ2 プランクレンズ効果マップにおける測定収束振幅にtSZ汚染がどのように影響するか？
• RQ3 クラスタ周辺の小スケールで、レンズ効果収束推定子にどの程度のバイアスが生じるか？
• RQ4 ハロー濃度-質量関係の不確実性は、リッチネス-質量校正にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 4つのリッチネスビンにおいて、スタックされたCMBレンズ効果収束信号はそれぞれ3.2σ、4.2σ、4.9σ、6.8σの有意水準で検出され、リッチネスと質量の強い相関を確認。
• 収束振幅はリッチネスに比例して増加し、最高リッチネスビン（λ ≥ 46）ではピーク信号対雑音比が6.8σに達する。
• プランクレンズ効果マップに残存するtSZ汚染は、収束振幅を0.5–2%過小評価するが、ハロー質量が大きいほど顕著になるが、統計的不確実性に比べて無視できる。
• フー（2001）のレンズ効果推定子は小スケールでスケール依存バイアスを生じるが、高通過フィルタ（ℓ > 2048）によりこのバイアスは無視できるほど小さくなる。
• 実証的1σ不確実性内でのハロー濃度-質量関係の変動により、質量推定値は2–6%の変動を示すが、10%の校正不確実性の範囲内に収まる。
• 本手法により、リッチネス-質量関係の10%レベルの校正が達成され、バリオン物理学に依存しないクリーンで宇宙論的に信頼性の高い質量推定が可能となる。