[論文レビュー] Measuring bulk motion of X-ray clusters via the kinematic Sunyaev-Zeldovich effect: summarizing the "dark flow" evidence and its implications

A. Kashlinsky, F. Atrio‐Barandela+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、WMAP全天CMBデータにおける運動的サンヤエフ＝ツェルドビッチ（KSZ）効果を用いて、X線銀河団の集団的運動を測定する手法を提案している。CMB単極子が消える団の位置で、ダイポール信号を分離する。約800 Mpcまで非常に有意なダイポールが検出され、標準的な重力不安定性モデルとは整合しない一貫した大スケールの流れを示唆しており、観測可能な宇宙の外にまで及ぶ可能性のある新しい物理やグローバル構造を示唆している。

ABSTRACT

In this review we present a comprehensive discussion of peculiar velocity field measured recently on very large scales with a novel method using X-ray galaxy clusters as tracers. The measurement is based on the kinematic component of the Sunyaev-Zeldovich (KSZ) effect produced by Compton scattering of cosmic microwave background (CMB) photons off the hot intracluster gas, and uses a large catalog of X-ray selected clusters and all-sky CMB maps obtained with the WMAP satellite. The method probes the dipole of the CMB temperature field evaluated at the cluster positions and within the apertures in which the CMB monopole contribution vanishes, thereby isolating the signal remaining from the KSZ effect produced by coherently moving clusters. The detection of a highly significant dipole out to the depth of at least ~ 800 Mpc casts doubt on the notion that gravitational instability from the observed mass distribution is the sole -- or even dominant -- cause of the detected motions. Rather it appears that the flow may extend across the entire observable Universe. Possible implications include the possibility to constrain the primeval preinflationary structure of space-time and its landscape, and/or the need for modifications of presently known physics (e.g. arising from a higher-dimensional structure of gravity). We review these possibilities in light of the measurements described here and specifically discuss the prospects of future measurements and the issues they should resolve. We address the consistency of these large-scale velocity measurements with those obtained on smaller scales by studies using galaxies as tracers, and resolve the discrepancies with two recent claims based on modified CMB analysis schemes.

研究の動機と目的

• X線銀河団の大型スケールの特異速度を、集団的運動のプローブとしての運動的サンヤエフ＝ツェルドビッチ（KSZ）効果を用いて測定すること。
• 観測された大型スケールの流れ（「ダークフロー」として知られる）が、既知の質量分布からの重力不安定性によって説明可能かどうかを検証すること。
• 本稿のKSZに基づく測定と、特に銀河 tracer に基づく他の速度調査との間の不一致を解消すること。
• TSZ汚染、単極子漏れ、CMBフィルタリングアーチファクトなどの系統的効果に対するKSZダイポール信号の頑健性を検証すること。
• 将来のプランクデータを用いた検証と今後の精錬に役立つ、公開可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• CMB単極子寄与がアパーチャー・フィルタリングによってキャンセルされるX線銀河団位置で、KSZ効果を分離する。
• 大規模で全天のX線選択銀河団カタログを用い、KSZ信号がホットな団内媒体の視線速度に比例することを利用し、集団的運動をトレースする。
• 主なCMB非一様性を宇宙分散限界まで除去するため、KA-B法というフィルタリング技術を適用し、運動的ダイポール信号を保持する。
• クラスタのX線光度を光学厚さおよび速度の代理として用い、µKからkm/sに信号をキャリブレーションする。系統的バイアスの補正を施す。
• 統計的不確実性は解析的および実証的に評価され、ポストWMAP5データにおける誤差行列の対角性と近似の妥当性に注意を払う。
• 代替のフィルタリング方式は、信号対雑音比を低下させる、またはTSZ単極子を除去するがKSZ成分を保持できない場合には、除外される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線銀河団位置で観測された大型スケールのCMBダイポールは、主なCMB非一様性や系統的要因ではなく、運動的サンヤエフ＝ツェルドビッチ効果に起因していると一致するか？
• RQ2 検出されたダイポールは、約800 Mpcを超える赤方偏移まで一貫して延長されており、グローバルな集団的流れを示唆するか？
• RQ3 なぜ一部の銀河ベースの速度調査はKSZベースのダークフロー測定と一致しないのか？その不一致は解消可能か？
• RQ4 信号は、熱的サンヤエフ＝ツェルドビッチ（TSZ）効果や単極子漏れからの汚染から頑健に分離可能か？
• RQ5 一貫した集団的流れが、標準的宇宙論モデルに与える影響は何か。特に、初期構造形成と重力に関して。

主な発見

• 信号対雑音比が約3.5–4に達する非常に有意なダイポール信号が、クラスタ位置で検出され、少なくとも800 Mpcまで一貫した集団的運動を示唆している。
• 局所銀河団の運動を補正した後、全天空CMBダイポールと一致しており、運動的起源を支持する。
• 異なるX線光度帯に分けたクラスタ位置で、統計的に有意なCMB四重極子は検出されず、信号のダイポール的性質を確認した。
• 信号の振幅はクラスタのX線光度と強く相関しており、KSZ効果の光学厚さおよび速度依存性と整合的である。
• TSZ汚染、単極子カップリング、内部ICM運動といった既知の系統的要因に対して、多数のクロスチェックを通じて信号の頑健性が確認された。
• 観測された質量に基づく標準的重力不安定性モデルとは不一致であり、宇宙に未知の質量が存在するか、もしくは高次元重力や初期インフレーション前の構造といった新しい物理が関与している可能性を示唆している。