[論文レビュー] Ionization by early quasars and Cosmic Microwave Background anisotropies

N. Aghanim, F.–X. Désert+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、初期のクェเซイがその移動するイオン化バブルによる運動的サニャエフ＝ツェルドビッチ（SZ）効果を通じて、宇宙マイクロ波背景（CMB）に検出可能な二次的非一様性を生成すると提案している。熱的SZ効果とは異なり、これらのイオン化領域の整列した特異速度による一次の運動的SZ効果は、1°までのスケールでδT/T ≈ 10⁻⁶から10⁻⁴の非ガウス型温度揺らぎを生じさせ、原始的非ガウス性を隠蔽または模倣する可能性がある測定可能な特徴をもたらす。

ABSTRACT

We discuss the photoionization of the intergalactic medium by early formed quasars and propose a mechanism which could generate measurable temperature fluctuations $δ_{T }~=~ΔT/T$ of the cosmic microwave background (CMB). Early quasars produce individual ionized regions around themselves. We evaluate both thermal and kinetic (first-order Doppler) Sunyaev-Zeldovich (SZ) effects associated with those ionized regions.

研究の動機と目的

• 標準的な再イオン化効果を超えて、初期クェーサーがCMB非一様性に与える影響を調査すること。
• 高赤方偏移のクェーサー周囲のイオン化バブルが、運動的サニャエフ＝ツェルドビッチ効果を通じて測定可能な二次的CMB歪みを生成するかどうかを評価すること。
• これらの歪みが非ガウス的特徴を引き起こし、原始的CMB統計の解釈を複雑にする可能性があるかどうかを特定すること。
• 特にガン・ペターソン効果に関連して、既存および将来のCMB観測において、こうした効果の検出可能性を評価すること。

提案手法

• 高赤方偏移のクェーサー周囲の孤立した球対称なイオン化バブルを、等方的放射出力と標準的な再イオン化物理学を用いてモデル化すること。
• クェーサーの全放射出力と赤方偏移から導かれる、テューレン光学厚さτと径方向特異速度v_r/cの積を用いて、運動的サニャエフ＝ツェルドビッチ（SZ）効果を計算すること。
• 式（18）を用いて、バブルの角度サイズ、温度揺らぎδT/T、および径方向速度の関係を導出し、観測から速度を推定する手法を可能にすること。
• クェーサーの数密度と角度半径に基づくポisson分布およびガウス分布によるバブルのランダム配置を想定し、CMB非一様性マップをシミュレートすること。
• 非ガウス性を定量的に評価するための統計的性質（例：尖度）を計算し、クェーサー寿命が10⁷年の場合に尖度が約1.4であることを発見した。
• 球面調和関数を用いて、クェーサー由来の非一様性のパワースペクトルと原始的揺らぎを比較し、特に原始的信号が減衰する小スケールで、二次的非一様性のパワースペクトルが支配的になる可能性があることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期クェーサー周囲のイオン化バブルは、運動的サニャエフ＝ツェルドビッチ効果を通じて、CMBに測定可能な二次的非一様性を生成できるか？
• RQ2 これらの非一様性はどの程度ガウス性から逸脱しており、原始的CMB揺らぎの解釈にどのような影響を及える可能性があるか？
• RQ3 このようなイオン化バブルが引き起こす温度揺らぎδT/Tの期待される振幅と角度スケールは何か？
• RQ4 これらの非一様性の統計的性質（例：尖度）は、クェーサーの寿命や放射出力にどのように依存するか？
• RQ5 ガン・ペターソン効果を示すクェーサーの将来的な観測を用いて、イオン化バブルの特異速度を検出・測定できるか？

主な発見

• 初期クェーサー周囲の移動するイオン化バブルによる運動的サニャエフ＝ツェルドビッチ効果は、1°までのスケールでδT/T ≈ 10⁻⁶から10⁻⁴の測定可能なCMB温度揺らぎを生じる。
• ガス温度が低いため、これらのバブルにおける熱的SZ効果は無視できるほど小さく、運動的効果が二次的非一様性の主要因となる。
• 誘導される非一様性の統計的分布は顕著に非ガウス的であり、クェーサー寿命が10⁷年の場合の尖度は約1.4である。
• これらの二次的非一様性のパワースペクトルは、原始的揺らぎよりも小スケールで支配的になる可能性があり、特に原始的信号が減衰する領域で顕著である。
• 直接的な観測手法が提案された：CMBデータからδT/Tと角度サイズθを測定することで、式（32）を用いて径方向特異速度を推定可能であり、CMBデータから速度を測定することが可能になる。