[論文レビュー] Helium abundance in galaxy clusters and Sunyaev-Zeldovich effect

Maxim Markevitch|arXiv (Cornell University)|May 23, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、銀河団のヘリウム含有量を測定するために、Sunyaev-Zeldovich (SZ) および X線による銀河団距離法を提案する。この手法は、SZ–X線で導かれる距離が仮定されたヘリウム含有量に依存することを利用している。WMAPのH₀といった独立した距離推定器と組み合わせることで、銀河団の中心部では原始的値の1.9±0.8倍のヘリウム含有量の過剰が得られ、団内媒体におけるヘリウム沈降を制約する実用的な道筋を提供する。

ABSTRACT

It has long been suggested that helium nuclei in the intracluster plasma can sediment in the cluster gravitational potential well. Some theoretical estimates for the cores of relaxed clusters predict an excess of helium abundance by up to a factor of a few over its primordial value. The intracluster helium abundance cannot be measured directly. This presents a significant source of uncertainty for cosmological tests based on the X-ray derived cluster quantities, such as the gas mass, total mass, and gas mass fraction, all of which depend on the assumed helium abundance. We point out that cluster distances derived by combining the Sunyaev-Zeldovich (SZ) and X-ray data also depend on the helium abundance. This dependence can be used to measure the abundance, provided the distance is known independently. For example, if one adopts the WMAP H_0 value, then the recent H_0 measurement by Bonamente and collaborators, derived from SZ data on 38 clusters assuming a primordial helium abundance, corresponds to an abundance excess by a factor of 1.9+-0.8 within r~1 Mpc (using only their statistical errors). This shows that interesting accuracy is within reach. We also briefly discuss how the SZ and X-ray cluster data can be combined to resolve the helium abundance dependence for the d_a(z) cosmological test.

研究の動機と目的

• 団内媒体（ICM）におけるヘリウム含有量の不確実性が、X線から導かれる団のガス質量や全質量といった物理量に与える影響を解消するため。
• SZ–X線距離測定におけるヘリウム含有量依存性が逆転可能であり、ICM内ヘリウム含有量を制約可能であることを示すため。
• 沈降効果が顕著になると予想される団の中心部におけるヘリウム含有量を測定する、実用的で観測可能である手法を提供するため。
• ガス質量関数や$d_a(z)$テストといった、クラスターベースの宇宙論的テストにおける系統的不確実性を、ヘリウム含有量のデゲネラシーを除去することで低減するため。

提案手法

• SZ–X線法を用いて、電子密度および熱的圧力に起因する仮定されたヘリウム含有量に依存する団の距離を導出する。
• SZ–X線距離と独立した距離推定器（例：WMAPのH₀）を組み合わせ、依存性を逆転させ、ヘリウム含有量を制約する。
• 原始的ヘリウムを仮定して、38個の銀河団の既存するSZ–X線データ（Bonamente et al. 2006）にこの手法を適用し、その結果得られる含有量過剰を導出する。
• スケーリング則$d_a \propto f_{\rm gas}^{2/3}$および$d_a^{\rm SZ-X} \propto x^{-1/2}$を用いて、ヘリウム含有量が宇宙論的距離推定に与える影響をモデル化する。
• ヘリウム含有量の赤方偏移依存性を考慮し、緩和された銀河団のサンプル全体で系統的変化をフィットする。
• SZ–X線距離導出におけるバイアスを避けるために、球対称性および滑らかなICMを仮定し、非対称性の影響を最小限に抑えるために緩和された銀河団のみを選択する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SZ–X線距離法におけるヘリウム含有量の依存性が間接的であるにもかかわらず、団内媒体におけるヘリウム含有量を制約可能か？
• RQ2 SZ–X線距離と独立したH₀測定を組み合わせた場合、銀河団の中心部におけるヘリウム含有量過剰の大きさはどの程度か？
• RQ3 ヘリウム沈降がX線およびSZベースの団宇宙論の信頼性に与える影響は何か。また、これを是正可能か？
• RQ4 SZ–X線法とガス質量関数法を組み合わせることで、ヘリウム含有量の不確実性に対して$d_a(z)$宇宙論的テストをより頑健にすることができるか？

主な発見

• WMAPのH₀と38個の銀河団のSZ–X線距離を組み合わせた結果、$r \sim 1$ Mpcの範囲内で、統計誤差のみに基づいて原始的値の1.9±0.8倍のヘリウム含有量過剰が示唆された。
• 本手法は、沈降が最も顕著になると予想される団の中心部におけるヘリウム含有量を測定するための実用的で観測可能な方法を提供する。
• SZ–X線距離法におけるヘリウム含有量依存性は、測定可能なデゲネラシーを引き起こし、独立した距離測定によってこれを解消可能である。
• レンズ効果に基づく質量比較とは異なり、静的平衡仮定に依存しないため、現在のデータに対してより頑健である。
• 本手法は、ヘリウム含有量の赤方偏移依存性をモデル化する応用が可能であり、より正確な$d_a(z)$テストや団質量関数の研究に応用可能である。
• 本手法はICMの熱的構造に敏感であり、正確な温度マッピングと球対称性を要するが、緩和された銀河団を選択することでこれを緩和可能である。