[論文レビュー] Cosmological Constraints from Gas Mass Fractions of Massive, Relaxed Galaxy Clusters

A. Mantz, S. W. Allen+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 79被引用数 59

ひとこと要約

本研究では、44個の巨大で静止した銀河団におけるガス質量分率（𝑓gas）を用いて宇宙論的制約を改善した。チャンドラ宇宙望遠鏡のより深いX線観測と、新たな高赤方偏移銀河団（𝑧 = 0.97, 1.16）を活用し、低赤方偏移でのペルセウス銀河団（𝑧 = 0.018）の高精度測定を実施した。赤方偏移の範囲が拡大されたことで、ダークエネルギーの制約が精度向上し、非平坦なΛCDMモデルではΩΛ = 0.865 ± 0.119、平坦な定常𝑤モデルでは𝑤 = −1.13+0.17−0.20が得られた。これはそれぞれ前回の研究比で41%、29%の精度向上である。

ABSTRACT

We present updated cosmological constraints from measurements of the gas mass fractions ($f_{gas}$) of massive, dynamically relaxed galaxy clusters. Our new data set has greater leverage on models of dark energy, thanks to the addition of the Perseus Cluster at low redshifts, two new clusters at redshifts $z>0.97$, and significantly longer observations of four clusters at $0.6<z<0.9$. Our low-redshift ($z<0.16$) $f_{gas}$ data, combined with the cosmic baryon fraction measured from the cosmic microwave background (CMB), imply a Hubble constant of $h = 0.722 \pm 0.067$. Combining the full $f_{gas}$ data set with priors on the cosmic baryon density and the Hubble constant, we constrain the dark energy density to be $\Omega_\Lambda = 0.865 \pm 0.119$ in non-flat $\Lambda$CDM (cosmological constant) models, and its equation of state to be $w = -1.13_{-0.20}^{+0.17}$ in flat, constant-w models, respectively 41 and 29 per cent tighter than our previous work, and comparable to the best constraints available from other probes. Combining $f_{gas}$, CMB, supernova, and baryon acoustic oscillation data, we also constrain models with global curvature and evolving dark energy. For the massive, relaxed clusters employed here, we find the scaling of $f_{gas}$ with mass to be consistent with a constant, with an intrinsic scatter that corresponds to just 3 per cent in distance.

研究の動機と目的

• 本研究の主な目的は、巨大で静止した銀河団におけるガス質量分率（𝑓gas）を用いて、ダークエネルギーの宇宙論的制約を改善することである。
• 本研究では、新たな高赤方偏移銀河団（𝑧 = 0.97, 1.16）と、0.6 < 𝑧 < 0.9の既存銀河団に対するより深い観測を組み込むことで、𝑓gasデータの赤方偏移の範囲を拡大し、赤方偏移の分解能を向上させることを目的とする。
• 低赤方偏移の𝑓gas測定と宇宙マイクロ波背景（CMB）によるバリオン分率の測定を組み合わせることで、ハッブル定数の制約を厳密化することを目的とする。
• 𝑓gasのクラスタ質量に対するスケーリング関係の整合性と、内在的散乱の大きさを評価し、系誤差を最小限に抑えることを目的とする。
• 𝑓gas法が時間的に変化するダークエネルギーおよび非平坦な宇宙論モデルを探索するのにどの程度有効であるかを評価することを目的とする。

提案手法

• 本分析では、44個の巨大で力学的に静止した銀河団におけるガス質量分率（𝑓gas = 𝑀gas/𝑀tot）を、深さの高いチャンドラX線観測から測定した。
• X線データに弱引力レンズ効果の測定を組み合わせることで、全質量を校正し、流体的平衡仮定への依存度を低減した。
• 本研究では、最も静的であるとされるクラスタを同定するために、SPA（対称性・ピーク性・整合性）基準を適用し、形状的系誤差を最小限に抑えた。
• 宇宙論的制約は、観測された𝑓gasとCMBで測定された宇宙のバリオン分率（Ωb/Ωm）を比較することで導出された。𝑓gasの赤方偏移に伴う変化が最小限であると仮定した。
• 𝑓gasの赤方偏移依存性は、𝑧 = 0における自由な正規化と、質量または赤方偏移依存性をテストするための勾配パラメータを持つべき乗法的パラメータライゼーションでモデル化された。
• 質量校正、ガス温度、および内在的散乱からの系誤差は、階層ベイズフレームワークを用いてモデル化され、統合された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 より深い観測と新たな高赤方偏移銀河団を用いた更新された𝑓gas測定は、ダークエネルギーの制約をどの程度改善するか？
• RQ2 𝑧 = 0.018のペルセウス銀河団の組み込みは、低赤方偏移での分解能をどの程度向上させ、ハッブル定数の制約を厳密にするか？
• RQ3 クラスターサンプル全体における𝑓gasの内在的散乱はどの程度か？また、距離の不確実性とはどのように関係しているか？
• RQ4 0.8–1.2 𝑟2500半径範囲における𝑓gasにクラスタ質量依存性が顕著に見られるか？これは宇宙論的モデルにどのような意味を持つか？
• RQ5 CMB、超新星、バリオンアコースティック振動（BAO）データと組み合わせた場合、更新された𝑓gasの制約は他の宇宙論的プローブとどの程度整合するか？

主な発見

• 𝑧 = 0.018のペルセウス銀河団と、新たな高赤方偏移銀河団（𝑧 = 0.97, 1.16）の追加により、𝑓gasの赤方偏移依存性の分解能が顕著に向上した。
• 非平坦なΛCDMモデルにおけるダークエネルギー密度の制約は、ΩΛ = 0.865 ± 0.119に tightened され、前回の研究比で41%の精度向上を達成した。
• 平坦で定常𝑤モデルにおけるダークエネルギー状態方程式の制約は、𝑤 = −1.13+0.17−0.20に改善され、前回の結果比で29%の精度向上を達成した。
• 𝑓gas–質量関係における内在的散乱は𝜎𝑓 = 0.043+0.020−0.032と測定され、距離推定値におけるわずか約3%の散乱に相当する。
• 𝑓gasの質量依存性のべき乗法的勾配は𝛼 = 0.025 ± 0.033に制約され、0.8–1.2 𝑟2500範囲では質量依存性が顕著にないことが確認された。
• CMB、超新星、BAOデータと組み合わせた場合、結果は平坦なΛCDMモデルと整合的であり、時間的に変化するダークエネルギーまたは空間曲率の証拠は得られなかった。