[論文レビュー] Implications of WMAP Three Year Data for Reionization

Marcelo A. Alvarez, Paul R. Shapiro+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2006

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、WMAP 3年分のCMBデータを再分析し、電子散乱光学的厚さの低減（τ_es = 0.09 ± 0.03）が、以前の推定値（z_r ≈ 17）と比較して遅い再結合赤移（z_r ≈ 11）を示すことを明らかにした。この遅れにもかかわらず、密度揺らぎスペクトルの振幅（σ₈）とスペクトル傾きの低下による相殺効果のおかげで、崩壊したバリオン1つあたりに必要な電離効率は変化しない。これは、初期の源が依然として高い効率を示さねばならず、特に第III星族（Pop III星）によるものであることを示唆している。

ABSTRACT

New results on the anisotropy of the cosmic microwave background (CMB) and its polarization based upon the first three years of data from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) have revised the electron scattering optical depth downward from tau_es= 0.17+/-0.07 to tau_es=0.09+/-0.03. This implies a shift of the effective reionization redshift from z_r~17 to z_r~11. Previous attempts to explain the high redshift of reionization inferred from the WMAP 1-year data have led to widespread speculation that the sources of reionization must have been much more efficient than those associated with the star formation observed at low redshift. This is consistent, for example, with the suggestion that early star formation involved massive, Pop III stars which early-on produced most of the ionizing radiation escaping from halos. It is, therefore, tempting to interpret the new WMAP results as implying that we can now relax those previous high demands on the efficiency of the sources of reionization and perhaps even turn the argument around as evidence against such high efficiency. We show that this is not the case, however. The new WMAP results also find that the primordial density fluctuation power spectrum has a lower amplitude, sigma_8, and departs substantially from the scale-invariant spectrum. We show that these effects combine to cancel the impact of the later reionization implied by the new value of tau_es on the required ionizing efficiency per collapsed baryon. The delay of reionization is surprisingly well-matched by a comparable delay (by a factor of ~1.4 in scale factor) in the formation of the halos responsible for reionization.

研究の動機と目的

• WMAP 3年分のCMBデータの再評価を通じて、宇宙の再結合の時期と効率に与える影響を検討すること。
• 遅れた再結合赤移と依然として高い電離源効率が要求されるという見かけ上の矛盾を解明すること。
• σ₈ と初期スケールスペクトルの形状の変化が、崩壊したバリオン1つあたりに必要な電離効率に与える影響を調査すること。
• 光学的厚さ τ_es の低減が、特に第III星族の電離源の効率制約を緩和するかどうかを検証すること。
• 観測的制約と理論的モデルを一致させるために、遅れた再結合と遅れたハロー形成のバランスを定量化すること。

提案手法

• CMBの非一様性および偏光のWMAP 3年分の測定値を分析し、τ_es と σ₈ の更新された制約を導出する。
• 光学的厚さ τ_es を再結合歴史の代理指標として用い、τ_es ≈ ∫₀^{z_r} n_e σ_T c dt の関係を通じて有効再結合赤移 z_r に結びつける。
• 以前の1年分の結果（τ_es = 0.17 ± 0.07）と比較することで、再結合のタイミングの変化を評価する。
• 密度揺らぎの振幅（σ₈）の低減とスペクトル傾きの影響が、電離ハローの形成赤移に与える影響を評価する。
• スケーリングの議論を適用し、スケール因子で約1.4の遅れを示す再結合の遅れと、同様の遅れが電離を引き起こすハローの形成に見られるため、必要な電離効率が保たれることを示す。
• CMBパワースペクトルと光学的厚さの制約を統合し、初期星形成と第III星族の効率に関するモデルとの整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再評価されたWMAP 3年分の光学的厚さ（τ_es = 0.09 ± 0.03）は、推定される有効再結合赤移にどのように影響するか？
• RQ2 新しい τ_es が示唆する遅れた再結合は、崩壊したバリオン1つあたりに必要な電離効率を低下させるか？
• RQ3 σ₈ と初期スケールスペクトルの形状の変化が、遅れた再結合の影響をどれほど相殺するか？
• RQ4 再結合の遅れは、第III星族のような高効率源を仮定しなくても、必要な電離出力を満たすことができるか？
• RQ5 電離効率制約を保つために、再結合赤移とハロー形成赤移の間のスケーリング関係はどのようなものか？

主な発見

• 電子散乱光学的厚さは、τ_es = 0.09 ± 0.03 に下方修正され、1年分のWMAPデータ（z_r ≈ 17）と比較して、有効再結合赤移が z_r ≈ 11 に遅れたことが示された。
• 遅れた再結合にもかかわらず、σ₈ の低減とスケール不変でない初期スケールスペクトルの両方が相殺効果を示し、崩壊したバリオン1つあたりに必要な電離効率は変化しない。
• 再結合の遅れは、再結合を引き起こすハローの形成におけるスケール因子で約1.4の遅れとよく一致している。
• σ₈ の低減とスペクトル傾きの低下が、τ_es の低減の効果を相殺し、質量の大きな第III星族のような高効率電離源の必要性を維持している。
• 新しいWMAPの結果は、源の効率に関する制約を緩和していない。むしろ、依然として高効率な初期源の必要性を維持しており、遅れた再結合が要求される負荷を低下させるという考えを挑戦している。
• 遅れた再結合と遅れたハロー形成の整合性は、構造形成と電離のタイミングが初期スケールスペクトルを通じて本質的に関連している、自己整合的な図式を示唆している。