[論文レビュー] Measuring cosmic distances with galaxy clusters

S. W. Allen, Mantz, A. B.+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、銀河団を用いた宇宙距離の測定に向けた2つのX線ベースの手法、すなわちX線ガス質量分率（$f_{\text{gas}}$）およびX線/ミリ波長連携Sunyaev-Zel'dovich（XSZ）測定についてレビューする。次世代X線望遠鏡を用いることで、$f_{\text{gas}}$測定によるダークエネルギーの制約が6–7倍改善されると予測されており、これは$\Omega_{\text{m}}$のモデルに依存しない制約と、Ia型超新星およびBAO研究と同等の精度を提供する。

ABSTRACT

In addition to cosmological tests based on the mass function and clustering of galaxy clusters, which probe the growth of cosmic structure, nature offers two independent ways of using clusters to measure cosmic distances. The first uses measurements of the X-ray emitting gas mass fraction, which is an approximately standard quantity, independent of mass and redshift, for the most massive clusters. The second uses combined millimeter (mm) and X-ray measurements of cluster pressure profiles. We review these methods, their current status and the prospects for improvements over the next decade. For the first technique, which currently provides comparable dark energy constraints to type Ia supernova studies, improvements of a factor of 6 or more should be readily achievable, together with tight constraints on the mean matter density that are largely independent of the cosmological model assumed. Realizing this potential will require a coordinated, multiwavelength approach, utilizing new cluster surveys, X-ray, optical and mm facilities, and a continued emphasis on improved hydrodynamical simulations.

研究の動機と目的

• X線およびミリ波長データを用いた銀河団が宇宙論的距離指標として現在および将来に果たせる可能性を評価すること。
• $f_{\text{gas}}$手法が宇宙論的モデルの仮定に依存せずに$\Omega_{\text{m}}$およびダークエネルギーを制約できる能力を評価すること。
• 次世代X線望遠鏡による集光面積およびスペクトル分解能の向上を想定し、$f_{\text{gas}}$測定によるダークエネルギー制約の改善を予測すること。
• $f_{\text{gas}}$およびXSZ手法の系貫性誤差の制御および宇宙論的感度の観点から比較すること。
• 今後10年間で、銀河団ベースの距離測定の宇宙論的パワーを最大限に引き出すために必要な観測的およびシミュレーション的要件を同定すること。

提案手法

• X線表面輝度および温度プロファイルを用いて、質量が大きく動的になめらかな銀河団におけるX線ガス質量分率（$f_{\text{gas}}$）を測定し、ガス質量および全質量を推定する。
• ガス質量分率と距離の関係式 $f_{\text{gas}} \propto d^{1.5}$ を用い、観測された $f_{\text{gas}}$ 値から距離を推定する。この際、CMB や核合成から得られる $\Omega_{\text{b}}$ を仮定する。
• X線およびミリ波長（例：SPT、ACT）観測を組み合わせ、Sunyaev-Zel'dovich効果（XSZ）を用いてクラスタの圧力プロファイルを測定し、独立した距離推定を可能にする。
• MCMC法を用いて宇宙論的制約を分析し、$\Omega_{\text{b}}h^2$ および $h$ の事前分布を組み込み、デゲネラシーおよび系貫性誤差を考慮する。
• 次世代X線望遠鏡を想定した将来の観測をシミュレートし、Chandra同等の観測時間10 Msを仮定し、高精度な流体ダイナミクスシミュレーションを用いる。
• 現在のデータと、450個のクラスタを対象とした予測データセット（$f_{\text{gas}}$の精度7.5%、速度分解能の向上で5%まで）を比較することで、宇宙論的フォーム・オブ・マーチ（FoM）の改善を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ia型超新星およびBAO調査と比較して、$f_{\text{gas}}$手法が競争力のあるダークエネルギー制約を提供できるか？
• RQ2 高分解能X線分光計でボリュームおよび乱流ガス運動を測定することで、$f_{\text{gas}}$の固有分散はどの程度低減可能か？
• RQ3 集光面積およびスペクトル分解能が向上した次世代X線望遠鏡を用いることで、宇宙論的制約にどの程度の改善が見込まれるか？
• RQ4 $f_{\text{gas}}$およびXSZ手法の間で、系貫性誤差予算および宇宙論的感度の観点から、どのように比較できるか？
• RQ5 $f_{\text{gas}}$測定は、$\Omega_{\text{m}}$のモデルに依存しない制約を提供できるか？

主な発見

• 現在の約40個の高温で動的になめらかなクラスタに対する$f_{\text{gas}}$測定は、BAOおよびSN Ia研究と同等のダークエネルギー制約を提供する。
• 0.8–1.2 $r_{2500}$ シェルで15%の精度で約100個のクラスタにサンプルを拡大すれば、ダークエネルギーのフォーム・オブ・マーチ（FoM）が4–6倍改善される。
• 将来のX線望遠鏡で$f_{\text{gas}}$の精度を7.5%まで高められれば、現在の結果と比較してFoMが6–7倍改善される見込みである。
• 楽観的状況では、高分解能X線分光計による固有分散を5%まで低減でき、平坦で時間的に変化する$w$モデルに対して22.6のFoMが得られる。
• $f_{\text{gas}}$手法は、$\Omega_{\text{m}}$に対してきつい、宇宙論に依存しない制約を提供し、楽観的状況では不確実性が約6%まで低下する。
• XSZ手法は、クラスタ圧力プロファイルの高い固有分散のため、予想される改善は限定的であり、次世代の宇宙論において$f_{\text{gas}}$よりも影響力が小さいと予想される。