[論文レビュー] Comptonization of the Cosmic Microwave Background by Relativistic Plasma

T. A. Enßlin, Christian Kaiser|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2000

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、相対論的プラズマによるCMBのコンプトン化を調査し、全相対論的領域において力率分布を示す電子のための正確な解析的光子散乱核を導出する。相対論的サニヤエフ＝ゼルドビッチ効果が電子の数密度を測定するが、エネルギーではなく、高周波数での相対論的増幅は電子スペクトル形状を露呈する。これにより、将来的な機器によるプローブが可能になる。研究では、電波銀河からのエネルギー放出に起因するコンプトン化を推定し、古い電波プラズマでは熱的yパラメータが約10⁻⁶、相対論的光学厚さが約10⁻⁷であると判明した。これは、Hubble定数の測定に偏りをもたらす可能性がある。

ABSTRACT

We investigate the spectral distortion of the cosmic microwave background (CMB) caused by relativistic plasma. Within the Thomson regime, an exact analytic expression for the photon scattering kernel of a momentum power-law elec- tron distribution is given, which is valid from the non- to the ultra-relativistic regime. The decrement in the photon spectrum saturates for electron momenta above 3 me c to that of an op- tically thick absorber with the optical depth of the relativistic electrons given by the Thomson limit. Thus, the ultra-relativistic Sunyaev-Zeldovich (SZ) decrement measures the electron num- ber and not the energy content. On the other hand, the relativis- tic SZ increment at higher frequencies depends strongly on the spectral shape of the electrons, allowing for investigation of relativistic electron populations with future instruments. We calculate the expected Comptonization due to the en- ergy release of radio galaxies, which we estimate to be 3 10 66 ergGpc 3 . We investigate Comptonization from (a) the part of the released energy which is thermalized and (b) the relativistic, remnant radio plasma, which may form a second, relativistic phase in the intergalactic medium, nearly unobserv- able for present day instruments (presence of so called 'radio ghosts'). We find a thermal Comptonization parameter due to (a) of y 10 6 and (b) an optical depth of relativistic electrons in old radio plasma of rel 10 7 . If a substantial fraction of the volume of clusters of galaxies is filled with such old ra- dio plasma the SZ effect based determination of the Hubble constant is biased to lower values, if this is not accounted for. Finally, it is shown that a supra-thermal population of electrons in the Coma cluster would produce a signature in the Wien-tail of the CMB, which is marginally detectable with a multifre- quency measurement by the Planck satellite. Such an electron population is expected to exist, since its bremsstrahlung would explain Coma's recently reported high energy X-ray excess.

研究の動機と目的

• 相対論的領域における力率分布を示す電子のための正確な解析的光子散乱核の導出。
• 相対論的電子によるコンプトン化がCMBスペクトルに与える影響、特に相対論的サニヤエフ＝ゼルドビッチ効果の文脈での評価。
• 電波銀河からのエネルギー放出がCMBに与える影響を評価し、熱化エネルギーと残存する相対論的プラズマを区別する。
• クラスタ内の古い相対論的電波プラズマがSZに基づく解析に含まれていない場合、Hubble定数の測定にどのようなバイアスが生じるかを評価する。
• 高周波数CMB測定によって、コンスラ星団のようなクラスタにおける超熱的電子集団の検出可能性を調査する。

提案手法

• 力率分布を仮定し、非相対論的から超相対論的電子運動量にまで適用可能な正確な解析的光子散乱核を導出。
• 核を用いて、相対論的電子プラズマにおけるCMBスペクトル歪みを計算し、Thomson領域を基盤とする。
• 電波銀河からのエネルギー放出に起因する熱的コンプトン化パラメータ（y）を推定し、エネルギーの一部が熱化されたと仮定する。
• 力率分布を仮定し、導出した散乱核を用いて、古い電波プラズマ内の相対論的電子の光学厚さを推定する。
• CMBスペクトルのウィーン尾におけるシグナルをモデル化し、コンスラ星団における超熱的電子集団の検出可能性を評価する。
• 予測されたシグナルをPlanck衛星の感度と比較し、その検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非相対論的から超相対論的領域にかけて、相対論的電子のスペクトル形状がCMBのコンプトン化にどのように依存するか。
• RQ2 相対論的サニヤエフ＝ゼルドビッチ減衰が、エネルギー含量ではなく電子数密度をどれほど正確に反映するか。
• RQ3 電波銀河からのエネルギー放出に起因するコンプトン化の期待される大きさは、熱化された状態と相対論的プラズマ状態の両方でどの程度か。
• RQ4 クラスタ内の古い相対論的電波プラズマが、サニヤエフ＝ゼルドビッチ効果に基づくHubble定数の推定にバイアスをもたらす可能性はどの程度か。
• RQ5 コンスラ星団における超熱的電子集団は高周波数CMB測定によって検出可能か。そのウィーン尾におけるシグナルはどのようなものか。

主な発見

• 電子運動量が3 me cを超えると、相対論的サニヤエフ＝ゼルドビッチ減衰は飽和し、Thomson限界に起因して電子数密度を測定するが、エネルギー含量ではなくなる。
• 高周波数での相対論的増幅は、電子分布のスペクトル形状に強く依存し、将来的な機器が相対論的電子集団をプローブ可能にする。
• 電波銀河からのエネルギー放出に起因する熱的コンプトン化は、yパラメータが約10⁻⁶に相当すると推定される。
• 古い電波プラズマ内の相対論的電子の光学厚さは約10⁻⁷と推定され、宇宙空間のほぼ観測不能なが、潜在的に重要な成分である。
• クラスタの体積の大部分がこのような古い電波プラズマで満たされている場合、SZ効果に基づくHubble定数の決定は、考慮されなければ低めにバイアスがかかる。
• コンスラ星団における超熱的電子集団は、CMBのウィーン尾にわずかだが検出可能なシグナルをもたらす可能性があり、Planckの感度と一致し、X線過剰が報告されている星団と整合的である。