[論文レビュー] CMB Spectral Distortions from the Scattering of Temperature Anisotropies

Albert Stebbins|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ローレンツ不変な温度分布の中心モーメントを用いて、コズミックマイクロ波背景（CMB）の温度非等方性のトムソン散乱によって引き起こされるスペクトル歪みを非摂動的・相対論的 formalism で計算する手法を開発した。この手法により、$Λ$CDM モデルにおける歪みは灰色パラメータ $ g \approx 3 \times 10^{-8} $ で記述され、熱的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果に比べて劣勢であるが、高赤方偏移（$ z \gtrsim 5 $）では支配的となり、非標準的宇宙論の探査に役立つ可能性を示している。

ABSTRACT

Thomson scattering of CMBR temperature anisotropies will cause the spectrum of the CMBR to differ from blackbody even when one resolves all anisotropies. A formalism for computing the anisotropic and inhomogeneous spectral distortions of intensity and polarization is derived in terms of Lorentz invariant central moments of the temperature distribution. The formalism is non-perturbative, requiring neither small anisotropies nor small metric or matter inhomogeneities; but it does assume cold electrons. The low order moments are not coupled to the higher order moments allowing one to truncate the equations without any loss of accuracy. This formalism is applied to a standard Lambda-CDM cosmology after reionization where the temperature anisotropies are dominated by the Doppler effect for the bulk motion of the gas with respect to the CMBR frame. The resultant spectral distortion is parameterized by u ~ 3e-8, where in this case u is observationally degenerate with the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) y parameter. In comparison the expected thermal SZ y-distortion from the hot IGM is expected to be >30 times larger. However at z >5 the effect described here would have been the dominant source of spectral distortions. The effect could be much larger in non-standard cosmologies.

研究の動機と目的

• CMB 温度非等方性の散乱に起因するスペクトル歪みを計算する非摂動的・完全に相対論的な formalism を導出すること。
• 非等方性と散乱の結合が、任意に細かい角度分解能であっても歪みを駆動することを示すこと。
• 低次および高次モーメントの分離に起因して、形式が精度を失うことなく切断可能であることを証明すること。
• 標準的 $Λ$CDM 宇宙論における歪みの大きさを定量し、熱的SZ効果との検出可能性を評価すること。
• 温度非等方性分散が増加する非標準的宇宙論モデルの探査に、これらの歪みが有効である可能性を検討すること。

提案手法

• CMB スペクトルを非摂動的に表現するため、温度分布のローレンツ不変な中心モーメントを用いる。
• スペクトルを温度モーメント表現に変換することで、低次モーメントと高次モーメントが分離された方程式の階層を構築する。
• ストークスパラメータの横方向テンソル表現への一般化により、強度および偏光を同時に取り入れる。
• トムソン散乱を温度変換空間における畳み込み演算としてモデル化し、フーリエに基づく逆演算技術を用いて正則化する。
• 赤方偏移および速度勾配を、散乱を伴わない宇宙論的時空において、3+1 全体フレーム形式で表現する。
• 再電離以降の $Λ$CDM にこの formalism を適用し、バルクガス運動に起因するドップラーシフトが支配的である温度非等方性を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的 $Λ$CDM モデルにおける、CMB 温度非等方性のトムソン散乱に起因するスペクトル歪みの大きさとスペクトル形状は何か？
• RQ2 同じ宇宙論的モデルにおいて、散乱に起因する歪みの振幅は熱的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果と比べてどの程度か？
• RQ3 どの赤方偏移で、非等方性の散乱が他の効果よりもスペクトル歪みの支配的要因となるか？
• RQ4 この formalism は、温度非等方性分散が増加する非標準的宇宙論モデルの検出や制約に利用可能か？
• RQ5 スペクトル非等方性と温度非等方性の相互相関を用いて、散乱に起因する歪みと熱的SZ効果を分離可能か？

主な発見

• 温度非等方性の散乱に起因するスペクトル歪みは $ g \approx 3 \times 10^{-8} $ で記述され、0次モーメントがスペクトルのグレーニessを表す。
• 低赤方偏移では、歪みは $Λ$CDM モデルにおいて熱的SZ効果に比べて劣勢であり、後者の方が振幅で約30倍大きい。
• 赤方偏移 $ z \gtrsim 5 $ では、散乱に起因する歪みがスペクトル歪みの支配的要因となり、熱的SZ効果を上回る。
• この formalism は非摂動的かつ完全に相対論的であり、冷たい電子を仮定すれば、任意に大きな不均一性や非等方性に対しても有効である。
• モーメント方程式の階層は分離されており、近似誤差を生じさせることなく低次の項で切断可能である。
• この手法は、温度空間におけるノッチフィルタリングにより、シンクロtron放射や自由自由放射などの非CMB汚染物質を効果的に除去するフレームワークを提供する。