[論文レビュー] Faraday Rotation Effect of Intracluster Magnetic Field on Cosmic Microwave Background Polarization

Masahiro Takada, Hiroshi Ohno+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2001

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、約0.1–1 μGの強さの銀河団内磁場（ICMFs）が引き起こすファラデー回転効果が、宇宙マイクロ波背景（CMB）が銀河団を通過する過程でパリティ奇性のBモード偏光を誘発する仕組みを調査する。CDMモデルとICMのβモデルを用いた分析から、典型的なパラメータ下でこの二次的Bモード信号のピーク強度は約0.1 μKに達することが判明し、周波数依存性を介してICMF効果と一次CMB非一様性を区別するプローブとしての可能性を示し、X線およびサンヤエフ＝ツェルドビッチ（Sunyaev-Zel'dovich）データとの相互相関によって、平均的な団内磁場の制約が可能となる。

ABSTRACT

The observed magnetic field of microgauss strength in clusters of galaxies should induce the Faraday rotation effect on the linearly polarized cosmic microwave background (CMB) radiation when the CMB radiation propagates through a cluster at low redshift. Employing the Press-Schechter prescription for the cluster abundance under the cold dark matter (CDM) scenario and a plausible isothermal $β$-model for the gas distribution, we compute angular power spectra of the CMB polarization fields including the Faraday rotation mixing effect under the simple assumption of uniform magnetic field configuration across a cluster. As a result, we find that a parity-odd B-type polarization pattern is statistically generated on the observed sky, even when the primary polarization only contains the parity-even E-mode component, such as in the case of pure scalar perturbations. The generated B-type polarization has a peak with amplitude of $\sim0.1 μ{ m K}(B_0/0.1 μ{ m G})(ν_0/10 { m GHz})^{-2}$ at angular scales of $l\approx 1000$ for the currently favored adiabatic $Λ$CDM model. This result also implies that, if the magnetic field has a $0.5 μ{ m G}$ strength and we observe at lower frequencies such as $ν_0\simlt 5 { m GHz}$, the secondary signal due to the Faraday rotation effect could be comparable to the magnitude of the primary polarization. The frequency dependence of the Faraday rotation can be then used to discriminate the effect from primary and other secondary signals on the CMB polarizations. Our results therefore offer a new empirical opportunity to measure or constrain the intracluster magnetic field in the average sense.

研究の動機と目的

• 銀河団内の団内磁場（ICMFs）に起因するファラデー回転効果がCMBに誘発する二次的CMB偏光信号を調査すること。
• 一次CMB偏光が純粋にEモードである場合でも、ファラデー回転効果が統計的に有意なBモード偏光パターンを生成できるかどうかを評価すること。
• 標準のΛCDMモデルおよび現実的な団物理的仮定の下で、誘発されたBモード信号の振幅および角度スケール依存性を定量化すること。
• この効果が、平均的な団内磁場の強度および空間的分布を測定または制約するための新規な実証的手法としての可能性を評価すること。
• この効果の周波数依存性を活用して、一次および他の二次的CMB偏光効果とこの二次的信号を分離する可能性を検討すること。

提案手法

• 本研究では、ΛCDMフレームワーク下での銀河団の豊度をモデル化するためにプレス＝シェクター形式を用いる。
• 各団内で一様な磁場配置を仮定し、団内物質（ICM）の電子密度プロファイルにはβモデルを用いる。
• ファラデー回転角は、線路上で電子密度、磁場強度、経路長の積を統合することで計算され、これに依存する。
• EモードとBモードの間のファラデー回転による混合効果を考慮したCMB偏光場の角スペクトルを計算する。
• CMBFASTコードを用いて、ファラデー回転に起因する二次的Bモード寄与を含めたCMBスペクトルをシミュレートする。
• ファラデー回転信号の周波数依存性を分析し、一次信号および他の二次的信号からの判別可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一次CMB偏光が純粋にEモードである場合でも、団内磁場に起因するファラデー回転効果が統計的に有意なCMBのBモード偏光を生成できるか？
• RQ2 典型的な団内磁場強度および団パラメータ下で、誘発されたBモード信号の期待される振幅および角度スケール依存性は何か？
• RQ3 ファラデー回転効果の周波数依存性（ν⁻²に比例）は、一次CMB非一様性および他の二次的効果とこの二次的信号を分離するための特徴的な判別子としてどのように機能するか？
• RQ4 この効果を、平均的な団内磁場強度およびコherencyスケールの制約に用いることの可能性はどの程度か？
• RQ5 磁場の幾何的形状（たとえば、ねじれ磁場やビームスメアリング）の不確実性が、Bモード信号の検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 一次CMB偏光が純粋にEモードであっても、団内磁場に起因するファラデー回転効果はパリティ奇性のBモード偏光パターンを誘発する。
• 磁場強度が0.1 μGで、周波数10 GHz、l ≈ 1000の角度スケールで、誘発されたBモード信号のピーク振幅は約0.1 μKに達する。
• 磁場強度が0.5 μGで、5 GHz未満の周波数帯では、二次的ファラデー誘発Bモード信号の大きさが一次CMB偏光と同等に達する可能性がある。
• ファラデー回転信号の周波数依存性（ν⁻²に比例）は、一次および他の二次的CMB偏光信号とこの二次的効果を分離するための独自の判別子を提供する。
• 結果から、CMB偏光マップとX線およびサンヤエフ＝ツェルドビッチ（Sunyaev-Zel'dovich）データの相互相関が、平均的な団内磁場強度を制約する新規な実証的手法として有効である可能性が示唆される。
• 本研究では、ねじれ磁場による偏光の消失およびビームスメアリング効果が、磁場のコherencyスケールに依存して信号を抑制する可能性があると特定された。