[論文レビュー] Detection of missing baryons in galaxy groups with kinetic Sunyaev-Zel'dovich effect

Seunghwan Lim, H. J. Mo+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、積算されたPlanck CMBマップと正確な特異速度データを用いて、log(M₅₀₀/M☉) ≈ 12.3にまで及ぶ低質量銀河群において、運動的スンヤエフ＝ゼルドビッチ効果（kSZE）を検出する。結果は、これらのハローにおけるガス質量分率が普遍的なバリオン分率と一致しており、長年のバリオン収支の不一致を解消する。これは、『欠落しているバリオン』が10⁵–10⁶ Kの温・高温銀河間媒体（WHIM）に存在することを確認するものである。

ABSTRACT

We present the detection of the kinetic Sunyaev-Zel'dovich effect (kSZE) signals from groups of galaxies as a function of halo mass down to $\log (M_{500}/{ m M_\odot}) \sim 12.3$, using the {\it Planck} CMB maps and stacking about $40,000$ galaxy systems with known positions, halo masses, and peculiar velocities. The signals from groups of different mass are constrained simultaneously to take care of projection effects of nearby halos. The total kSZE flux within halos estimated implies that the gas fraction in halos is about the universal baryon fraction, even in low-mass halos, indicating that the `missing baryons' are found. Various tests performed show that our results are robust against systematic effects, such as contamination by infrared/radio sources and background variations, beam-size effects and contributions from halo exteriors. Combined with the thermal Sunyaev-Zel'dovich effect, our results indicate that the `missing baryons' associated with galaxy groups are contained in warm-hot media with temperatures between $10^5$ and $10^6\,{ m K}$.

研究の動機と目的

• log(M₅₀₀/M☉) ≈ 12.3にまで及ぶ低質量銀河群における運動的スンヤエフ＝ゼルドビッチ効果（kSZE）の検出。
• 低質量ハローにおける『欠落しているバリオン』が温・高温銀河間媒体（WHIM）に存在するかどうかの特定。
• kSZE測定値が、前景汚染、ビームのぼやけ、投影効果などの系制度にどのように影響を受けるかの検証。
• kSZEと熱的SZEの結果を統合し、銀河群ハロー内のガス温度および分布の推定。

提案手法

• 複数波長の調査から得られた位置、ハロー質量、特異速度が既知の約40,000個の銀河群を積算する。
• 3つの周波数帯でPlanck CMB温度マップにマッチドフィルタを適用し、kSZE信号を分離するとともに、ビームとノイズの影響を最小限に抑える。
• ハロー質量のビンごとに同時にフィッティングすることで、近隣のハローによる視線方向の投影効果を補正する。
• 再構築された特異速度を用い、kSZEの振幅を一様な流れの起源を仮定して、イオン化ガス質量に変換する。
• 残留フラクチュエーション、tSZEの汚染、電波/赤外線源の放射、大規模な一様な流れなどの系統的要因について、広範なテストを実施する。
• フォローアップ研究で、流体ダイナミクスシミュレーションの光線路マップと照合して結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量銀河群における『欠落しているバリオン』は、温・高温イオン化ガス（WHIM）の形で存在するか？
• RQ2 ハロー質量にかかわらず、銀河群におけるガス分率は普遍的なバリオン分率と一致するか？
• RQ3 kSZE信号は、ビームのぼやけや前景汚染といった一般的な観測系制度に頑健か？
• RQ4 kSZEから導かれたガス温度は、X線および熱的SZE測定から推定される温度とどのように一致するか？
• RQ5 kSZE信号は、低質量ハローにおける低エネルギーの熱的エネルギーと予想される冷却加熱の不一致を解消できるか？

主な発見

• log(M₅₀₀/M☉) ≈ 12.3にまで及ぶ銀河群において、kSZE信号が高信頼性で検出され、低質量ハローに一様な流れが存在することを確認した。
• ハローにおける推定ガス分率は、すべての質量範囲で普遍的なバリオン分率と一致しており、『欠落しているバリオン』がこれらの系に含まれていることを示している。
• tSZE汚染、電波/赤外線源、ビーム効果、大規模な流れといった要因からの汚染に対して、多数の系統的要因テストを通じて結果の頑健性が確認された。
• 熱的SZEの結果と組み合わせることで、低質量ハローにおけるガス温度が約10⁵–10⁶ Kであることが示された。これは、それらのハローの冷却温度よりも顕著に低い。
• X線およびtSZE研究で観測された低エネルギーの熱的エネルギーの不一致は、バリオン質量が少ないのではなく、ガス温度が低いことによるものであると説明できる。
• これらの結果は、銀河群における欠落しているバリオンがWHIM状態に存在するという仮説を支持しており、kSZEを用いた直接的証拠を提供する。