[論文レビュー] Galaxy Clusters as mirrors of the distant Universe. Implications for the kSZ and ISW effects

C. Hernández–Monteagudo, R. A. Sunyaev|arXiv (Cornell University)|May 19, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、銀河団におけるコズミックマイクロ波背景（CMB）非等方性のトムソン散乱誘発ブラーを、遅い時期における統合サクス＝ヴォルフ（ISW）効果の成長を地図化する宇宙論的プローブとして提案する。kSZ汚染を正確に除去することで、光学的厚さと固有のCMB非等方性に比例するブラー項を、さまざまな赤方偏移における団で測定可能となり、100–200 km s⁻¹の特異速度精度を要するトモグラフィックなISW進化再構成が可能になる。

ABSTRACT

It is well known that Thomson scattering of CMB photons in galaxy clusters introduces new anisotropies in the CMB radiation field, but however little attention is payed to the fraction of CMB photons that are scattered off the line of sight, causing a slight blurring of the CMB anisotropies present at the moment of scattering. In this work we study this {\it blurring} effect, and find that it has a non-negligible impact on estimations of the kinetic Sunyaev-Zel'dovich (kSZ) effect: it induces a 10% correction in 20-40% of the clusters/groups, and a 100% correction in $\sim 5$% of the clusters in an ideal (noiseless) experiment. We explore the possibility of using this blurring term to probe the CMB anisotropy field at different epochs in our Universe. In particular, we study the required precision in the removal of the kSZ that enables detecting the blurring term $-τ_T δT / T_0$ in galaxy cluster populations placed at different redshift shells. By mapping this term in those shells, we would provide a tomographic probe for the growth of the Integrated Sachs Wolfe effect (ISW) during the late evolutionary stages of the Universe. We find that the required precision of the cluster peculiar velocity removal is of the order of 100 -- 200 km s$^{-1}$ in the redshift range 0.2 -- 0.8, after assuming that all clusters more massive than 10$^{14}$ h$^{-1}$ M$_{\odot}$ are observable. These errors are comparable to the total expected linear line of sight velocity dispersion for clusters in WMAPV cosmogony, and correspond to a residual level of roughly 900 -- 1800 $τ_T μ$K per cluster, including all types of contaminants and systematics. Were this precision requirement achieved, then independent constraints on the intrinsic cosmological dipole would be simultaneously provided.

研究の動機と目的

• 銀河団におけるトムソン散乱誘発ブラー項の宇宙論的意義を調査すること。この項は、視線方向でない散乱によってCMB非等方性をぼかす。
• このブラー効果が、高精度CMB実験において、運動的サンヤエフ＝ツェルドビチコフ（kSZ）効果の正確な測定に与える影響を評価すること。
• ブラー項を、特にISW効果の成長を追跡するために、異なる宇宙時代におけるCMB非等方性場の直接的プローブとして用いる可能性を検討すること。
• ブラー信号を分離し、トモグラフィックなISWマッピングを可能にするために必要な特異速度再構築の精度を特定すること。
• この精度を達成すれば、局所的流れとは独立して固有の宇宙論的ダイポールを独立して制約できることを示すこと。

提案手法

• ブラー効果は、CMB温度非等方性式における補正項としてモデル化される：ΔT/T₀ = −τ_T ∑ₗ aₗ Pₗ(μ)，ここでτ_Tはトムソン光学的厚さ、aₗは多重極係数である。
• クラスタの特異速度に起因するドップラーシフトを考慮することで、kSZ効果からブラー項を分離する。これには、v·n̂/cの高精度再構築が必要である。
• 質量 >10¹⁴ h⁻¹ M⊙ のクラスタが観測可能であり、X線またはtSZ観測からτ_Tが既知であると仮定する。
• CMBマップにおけるクラスタ位置で、kSZ、tSZ、および点源残差を除去することで、ブラー信号を抽出する。システムティックエラーが最小限に抑えられると仮定する。
• 統計的手法が用いられ、赤方偏移シェル（z = 0.2–0.8）に位置する複数のクラスタの集合に対して、スキャン領域をスキャンしてブラー信号を検出する。
• 残留誤差がブラー信号を覆い隠さない条件から、必要な速度精度を導出する。ブラー信号はτ_T μKに比例する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トムソン散乱誘発ブラー項は、銀河団におけるkSZ測定にどの程度バイアスを及えるか？
• RQ2 十分な速度精度を備えた場合、異なる赤方偏移におけるクラスタのCMB観測からブラー項を分離できるか？
• RQ3 ブラー信号を検出し、ISW効果のトモグラフィックマッピングを可能にするために必要な特異速度の正確さはどの程度か？
• RQ4 ブラー信号は、特にISW効果に起因する遅い時期のCMB非等方性の成長とどのように関係するか？
• RQ5 ブラー信号は、局所的流れとは分離された、固有の宇宙論的ダイポールを独立して制約できるか？

主な発見

• 理想的なノイズレス実験において、ブラー項は20–40%のクラスタで10%の補正を引き起こし、約5%のクラスタでは最大100%に達する。これはkSZ推定に顕著な影響を与える。
• ブラー信号を検出し、ISW成長をマッピングするには、赤方偏移範囲z = 0.2–0.8で特異速度再構築精度が100–200 km s⁻¹必要である。
• これらの速度誤差は、すべての汚染要因とシステムティックエラーを含めて、1クラスタあたり900–1800 τ_T μKの残留レベルに対応する。
• ブラー信号は、散乱時の固有のCMB非等方性に比例するため、当該時刻におけるCMB場の鏡像として機能する。
• 異なる赤方偏移シェルにおけるクラスタでブラー項を測定することで、遅い時期の宇宙加速期におけるISW効果の進化をトモグラフィックに再構成可能である。
• 必要な精度を達成すれば、同時に局所的流れとは独立して固有の宇宙論的ダイポールを独立して制約できる。