[論文レビュー] Determination of the hot intracluster gas temperature from submillimeter measurements

É. Pointecouteau, M. Giard+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 1997

Superconducting and THz Device Technology被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、銀河団内の高温銀河団内ガスの電子温度を直接決定するため、サブミリ波長における太陽ヤエフ＝ツェルドビチ効果（SZ効果）の測定を提案する。X線由来の温度に依存することなく、これにより遠方銀河団においてX線観測が失敗する状況でも、電子温度を測定可能である。将来のミッション（例：Planck Surveyor や FIRST）からのシミュレートされたデータを用いて、質量の大きな銀河団では1–4 keVの精度で電子温度を測定可能であることを示している。これは、遠方銀河団の温度測定に頼れる手法を提供する。

ABSTRACT

Measurements of the Sunyaev-Zeldovich (hereafter SZ) distorsion of the cosmic microwave background can give interesting physical informations on clusters of galaxies, provided that the electronic temperature of the gas is known. Previous attempts to do so have used the electronic temperature determination obtained from the X-ray spectra. However, if the intergalactic gas is not homogeneous, the X-ray emission will trace the denser component, and the temperature determination may not be relevant for the lower density gas which is dominating the SZ measurements. Moreover, the X-ray brightness decreases very rapidly with the distance, which is not the case for the SZ effect. Distant clusters might be detected from SZ measurements, whereas they are inaccessible to X-ray observations. For these reasons, we have investigated the possibility to derive the electronic temperature of the gas from the SZ measurements in the submillimeter range (lambda ~ 300-600 micro-m). We show that given the sensitivities of the future submillimeter space missions Planck Surveyor and FIRST, the electronic temperature of massive clusters (Y_center=3*10^{-4}) can be determined with an accuracy ranging from 1 to 4 keV depending on its distance and the data avalaible.

研究の動機と目的

• X線スペクトル測定に依存せずに、高温銀河団内ガスの電子温度を決定する手法を開発すること。
• X線では低密度ガスを十分に探査できないという制限を解消し、SZ効果の主因である低密度ガスを効果的に探査すること。
• 距離が遠いためX線検出が困難になる遠方銀河団に対しても、温度測定を可能にすること。
• Planck Surveyor や FIRST といった将来の宇宙ミッションによるサブミリ波長SZ測定を活用し、銀河団の温度測定を改善すること。
• 実際のミッション感度条件下での、サブミリ波長ベースの温度決定の実現可能性と精度を検証すること。

提案手法

• 逆コンプトン散乱によって引き起こされる宇宙マイクロ波背景の周波数依存性スペクトル歪み（太陽ヤエフ＝ツェルドビチ効果）を用いる。
• 300–600 μm の波長帯でのサブミリ波長観測により、SZ信号を測定し、これにより電子温度と光学厚さに敏感であることを活用する。
• 1–20 keV の電子温度範囲にわたる正確なSZスペクトルプロファイルを生成するために、モンテカルロシミュレーションを用いる。
• 検出可能性と精度を評価するために、将来のサブミリ波長宇宙ミッション（特に Planck Surveyor と FIRST）の感度レベルを仮定する。
• 観測されたサブミリ波長の輝度をシミュレートされたSZスペクトルにフィットさせ、残差を最小化することで、最良の電子温度を特定する。
• 温度不確実性の推定に、銀河団の距離およびクランター中心部における電子圧力プロファイルを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線データに依存せずに、サブミリ波長SZ測定のみで、高温銀河団内ガスの電子温度を信頼性高く決定できるか？
• RQ2 サブミリ波長調査における、銀河団の距離と機器感度の変化が、電子温度測定の精度に与える影響はいかほどか？
• RQ3 X線分光法に比べ、サブミリ波長観測が低密度・高温銀河団内ガスをどれほど効果的に探査できるか？
• RQ4 計画中の Planck Surveyor および FIRST ミッションを用いた場合、質量の大きな銀河団における電子温度決定の期待精度はどの程度か？
• RQ5 銀河団の構造や電子圧力プロファイルの変動が、サブミリ波長データからの温度回復の信頼性に与える影響はどの程度か？

主な発見

• Y_center = 3×10⁻⁴ の質量の大きな銀河団では、将来のミッションからのサブミリ波長測定により、1–4 keV の精度で電子温度を決定可能である。
• X線分光法に代わる実用的かつ信頼性の高い代替手法を提供し、X線信号が弱すぎて検出困難な遠方銀河団に対しても有効である。
• 低密度銀河団内ガス（SZ信号の主因）を効果的に探査する観点で、サブミリ波長観測はX線観測を上回る有効性を示す。
• 温度決定の精度は銀河団の距離と利用可能なデータ帯域幅に依存し、近い銀河団ほど高い精度が得られる。
• Planck Surveyor および FIRST からのシミュレートデータを用いた検証により、実際のミッション感度下でも本手法が頑健であることが示された。
• 本研究は、X線データからの事前の仮定なしに、サブミリ波長SZ測定が物理的に意味のある温度推定値を信頼性高く得られることを確認した。